云南傣式冷彎薄壁型鋼住宅地震反應(yīng)安全性分析

李文凱 王俊平 虞毅洋

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650000)

0 引言

冷彎薄壁鋼是一種各種截面形狀的成品鋼材，在冷態(tài)下由鋼或鋼板彎曲。與普通鋼相比，冷彎薄壁鋼在住宅結(jié)構(gòu)中具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：①輕質(zhì)高強(qiáng)，綜合經(jīng)濟(jì)性好；②建筑質(zhì)量高，施工周期短；③結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，整體性好；④保溫隔熱，節(jié)能環(huán)保。目前，薄壁鋼結(jié)構(gòu)體系已在許多發(fā)達(dá)國家的低層住宅建筑中得到廣泛應(yīng)用，其相應(yīng)的理論和技術(shù)已經(jīng)成熟。眾所周知，云南是一個(gè)地震多發(fā)地區(qū)，為了響應(yīng)國家推廣鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用相關(guān)政策和《云南省西雙版納傣族自治州民族傳統(tǒng)建筑保護(hù)條例》的要求，鑒于這種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展前景，推廣使用傣式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系并進(jìn)行抗震性能分析是很有必要的。

結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)決定于地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)特性，特別是動(dòng)力特性。因此，地震反應(yīng)分析的水平也是隨著人們對(duì)這兩方面認(rèn)識(shí)的深入而提高的[1]。隨著快速發(fā)展的地震分析，相繼出現(xiàn)了靜態(tài)分析方法，反應(yīng)譜分析方法和時(shí)程分析方法。

1 傣式冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

本結(jié)構(gòu)的建筑面積95 m2，共兩層(如圖1)。一層由普通鋼框架組成，柱截面選用空心方形，梁截面選用工字型，梁柱結(jié)點(diǎn)通過螺栓連接；二層由冷彎薄壁型鋼墻體組成，組合墻體內(nèi)墻的內(nèi)外側(cè)均采用石膏板，通過自攻螺釘將鋼骨分別與內(nèi)外側(cè)的石膏板連接；外墻外側(cè)是OSB板，內(nèi)側(cè)是石膏板，通過自攻螺釘將鋼骨分別與外側(cè)OSB板、內(nèi)側(cè)石膏板連接；屋面采用彩石金屬瓦，通過瓦條與鋼屋架連接。結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工

(a)一層平面

1.2 構(gòu)件選型

一層采用鋼框架結(jié)構(gòu)，層高3 m，梁柱均采用Q235鋼；鋼柱采用方管，規(guī)格為150 mm×5 mm；鋼梁的規(guī)格為HN198×99 mm×4.5 mm×7 mm。二層由冷彎薄壁型鋼墻體組合而成，層高3 m，規(guī)格C89×44.5 mm×12 mm×1 mm的是骨架立柱，通過U形型鋼連接規(guī)格U92×40 mm×1 mm的導(dǎo)軌。外墻外側(cè)是OSB板，內(nèi)側(cè)是石膏板；內(nèi)墻兩側(cè)的墻板均為石膏板，用自攻螺釘連接鋼框架和墻板。組合墻體外墻的窗洞尺寸為1.5 m×1.8 m的窗洞，組合墻體內(nèi)墻門洞尺寸為2.1 m×0.9 m的門洞。輕鋼復(fù)合柱由3根冷彎成型的C89×44.5 mm×12 mm×1 mm薄壁C型鋼組成，兩個(gè)C形鋼背對(duì)背，通過自攻螺釘連接，間距為600 mm，兩個(gè)卷邊相并的C型鋼通過自攻螺釘連接，間距為600 mm。鋼屋架為U形冷彎薄壁鋼，規(guī)格為U92×40 mm×1 mm，腹板由C型冷彎薄壁鋼制成，規(guī)格為C89×44.5 mm×12 mm×1 mm。

1.3 荷載

作用在結(jié)構(gòu)上的荷載主要是：

(1)墻體自重標(biāo)準(zhǔn)值。組合墻體內(nèi)墻：1.53 kN/m2；組合墻體外墻：3.31 kN/m2。

(2)樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值。樓板的自重：2.26 kN/m2；樓面荷載：2.0 kN/m2。

(3)屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)值。屋面自重：0.45 kN/m2；不上人屋面：0.5 kN/m2；上人屋面：2.0 kN/m2。

(4)各構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值。鋼梁：0.185 kN/m；鋼方柱：0.228 kN/m；鋼骨架立柱：0.016 kN/m。

2 房屋簡(jiǎn)化模型的建立

2.1 模型概述

對(duì)于冷彎薄壁型鋼組合墻體，可根據(jù)日本規(guī)范的一種實(shí)用計(jì)算方法：墻體等代拉桿置換法(等代拉桿法)，將組合墻體近似等效為等代拉桿模型(圖3)，已達(dá)到簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)模型的目的[2]。

圖3 組合墻體簡(jiǎn)化模型

建模方法說明如下：①利用等代拉桿法將冷彎薄壁型鋼組合墻體進(jìn)行簡(jiǎn)化，由線單元連接墻體，軸向力只被桿件承擔(dān)；②為簡(jiǎn)化分析，考慮一層樓板為剛性的；③為了考慮冷彎薄壁型鋼組合墻體龍骨立柱和骨架導(dǎo)軌具有足夠的剛度，可將桿件的彈性模量放大100倍。

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震分析中最常用且最有效的方法[3]。模態(tài)分析后，可以提取陣型、周期等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。此外，模態(tài)分析不僅可以判斷結(jié)構(gòu)模型的正確性，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性作分析。

通過查看軟件SAP2000輸出的振型質(zhì)量參與系數(shù)，可以判斷出結(jié)構(gòu)振型是平動(dòng)振型為主還是扭轉(zhuǎn)振型為主。判斷方法主要是看輸出項(xiàng)中UX、UY和RZ間的關(guān)系，若UX+UY>RZ則說明該振型為平動(dòng)振型，反之為扭轉(zhuǎn)振型。確定了平動(dòng)振型之后，通過對(duì)比UX、UY的系數(shù)大小來確定是以那個(gè)方向平動(dòng)為主。三階結(jié)構(gòu)周期及振型質(zhì)量參與系數(shù)(如表1)所示。

表1 結(jié)構(gòu)三階周期及質(zhì)量振型參與系數(shù)

從表中看出，前兩階振型主要沿x、y方向平動(dòng)，第三階振型的質(zhì)量參與系數(shù)UX為0.002 4，RZ為0.656 1，表明第三振型主要以扭轉(zhuǎn)為主。另外，一、兩階振型的質(zhì)量參與系數(shù)大致相同，表明房屋在x和y方向上質(zhì)量和剛度分布均勻。

3 地震反應(yīng)分析

3.1 地震波的選取

為了對(duì)傣式冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)力彈性反應(yīng)分析，選取合適的地震波很重要。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)5.1.2條：采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符；彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%[4]。地震波信息見表2，反應(yīng)譜曲線見圖4。

表2 地震波信息

圖4 地震波的反應(yīng)譜曲線

3.2 冷彎薄壁型鋼房屋地震反應(yīng)分析

冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)模型是在8度(0.2g)多遇地震作用下的，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為線彈性，因此可以采用3種結(jié)構(gòu)分析方法：時(shí)程分析法、反應(yīng)譜法和底部剪力法進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

表5 層間位移角對(duì)比 1/rad

從表3中可以看出，二層結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的剪力值，當(dāng)采用底部剪力法時(shí)結(jié)果較大，采用時(shí)程分析法時(shí)所算值次之；一層普通結(jié)構(gòu)在x方向和y方向的剪力值，采用時(shí)程分析法所算值最大，底部剪力法計(jì)算剪力值最小。所以，采用時(shí)程分析法計(jì)算層間剪力偏安全。

表3 層間剪力對(duì)比 kN

從表4中可以看出，一、二層在x、y兩個(gè)方向的層間位移值相差不大，二層輕鋼結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的層間位移，通過底部剪力法計(jì)算值相比其他兩種方法計(jì)算值較大；一層普通鋼結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的層間位移，用底部剪力法所算結(jié)果比其他兩種方法所算值小很多，時(shí)程分析法計(jì)算值最大。所以，采用時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移偏安全。

表4 層間位移對(duì)比 mm

《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》[5]4.4.4條規(guī)定：由水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值或多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的層間位移與層高之比不應(yīng)大于1/300[5]。從表5中看出，3種方法計(jì)算的層間位移角值都滿足規(guī)程規(guī)定的值。但是，二層輕鋼結(jié)構(gòu)在底部剪力法計(jì)算下，層間位移角值較大，時(shí)程分析法次之；一層普通鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角，時(shí)程分析法計(jì)算值較大，底部剪力法計(jì)算值次之。

綜上，在分析冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時(shí)，采用時(shí)程分析法計(jì)算，所得結(jié)果偏安全，反應(yīng)譜分析法次之，底部剪力法偏不安全。

4 結(jié)論

本文采用SAP2000 軟件對(duì)95 m2冷彎薄壁型鋼房屋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，通過建立模型并進(jìn)行模態(tài)分析，然后采用地震反應(yīng)分析方法對(duì)其進(jìn)行線性地震反應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)冷彎薄壁型鋼房屋進(jìn)行模態(tài)分析后，結(jié)果表明該房屋第一振型和第二振型為平動(dòng)，第三振型主要以扭轉(zhuǎn)振型為主，第一階x向和第二階y向的質(zhì)量參與系數(shù)均高達(dá)98%以上，表明房屋在x向和y向質(zhì)量、剛度分布均勻，偏心小。同時(shí)，為了防止屋面桁架出現(xiàn)局部失穩(wěn)，從而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，需要增加必要的側(cè)向支撐。

(2)通過冷彎薄壁型鋼房屋的線性地震反應(yīng)分析結(jié)果可知：對(duì)于層間剪力，一、二層在x、y兩個(gè)方向上的剪力值相差比較小，二層輕鋼結(jié)構(gòu)在x向和y方向的剪力值，采用底部剪力法所算值較大，時(shí)程分析法所算值次之；一層普通結(jié)構(gòu)在x向和y方向的剪力值，采用時(shí)程分析法所算值最大，底部剪力法計(jì)算剪力值最小。所以，采用時(shí)程分析法計(jì)算層間剪力偏安全。對(duì)于層間位移，一、二層在x、y兩個(gè)方向的層間位移值相差不大，二層輕鋼結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的層間位移，通過底部剪力法計(jì)算值相比其他兩種方法計(jì)算值較大；一層普通鋼結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的層間位移，用底部剪力法所算結(jié)果比其他兩種方法所算值小很多，時(shí)程分析法計(jì)算值最大。所以，采用時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移偏安全。對(duì)于層間位移角，一、二層的層間位移角最大值均小于規(guī)程值，滿足規(guī)程抗震的有關(guān)要求。