低层冷弯薄壁型钢结构抗震性能分析

2009-11-29李元齐同济大学土木工程学院上海200092

长江大学学报(自科版) 2009年1期

关键词：薄壁抗剪剪力

刘飞，李元齐 (同济大学土木工程学院,上海 200092)

张继承 (长江大学城市建设学院, 湖北荆州 434023)

低层冷弯薄壁型钢结构抗震性能分析

刘飞，李元齐 (同济大学土木工程学院,上海 200092)

张继承 (长江大学城市建设学院, 湖北荆州 434023)

四川汶川大地震后，大量的灾区房屋急需要重建，低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系是一种理想的选择。以某钢结构企业捐献给灾区的两层冷弯薄壁型钢小学试点房为研究对象，按照现行的建筑抗震设计规范，基于单片墙体的抗剪能力，采用底部剪力法进行了整体结构的抗震性能分析。结果表明，该建筑所采用的组合墙体构造能满足我国规范的抗震设防要求，此类结构体系适合建造于灾区。

高强冷弯薄壁型钢；组合墙体；抗震性能；抗剪强度；底部剪力法

冷弯薄壁型钢结构住宅体系从20世纪60年代开始发展至今，以美国、加拿大以及日本和澳大利亚等国为主，其具有环保和抗震性能好、施工速度快等显著优点。四川汶川大地震后，大量的灾区房屋急需要重建，低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系是一种理想的选择。某钢结构企业捐献给灾区的试点房为2层的钢结构小学建筑，其采用高强冷弯薄壁型钢构件，密柱龙骨结构体系，竖向荷载由立柱承担，水平荷载由组合墙体承担。钢构件采用澳洲标准[1]的高强G550钢材，屈服强度550MPa，强度设计值440MPa。笔者对结构进行了整体抗震性能的分析评估，验证了其满足中国规范的抗震设防要求，可建造于灾区。

1 计算原理和方法

关于冷弯薄壁型钢结构整体的抗震性能分析方法，同济大学在国内首次进行了屈服强度550MPa的高强冷弯薄壁型钢二层住宅足尺模型的振动台试验研究，并基于单片墙体的抗剪能力，采用底部剪力法进行了结构的抗震性能评估，验证了该法的合理性。为此，笔者采用底部剪力法来评估试点房结构的抗震性能。

底部剪力法的原理是拟静力法，即根据地震反应谱理论[2]，以工程结构底部的总地震剪力与等效单质点的水平地震作用相等的原则，来确定结构总地震作用的方法。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上。笔者首先计算了结构的自振周期，然后根据规范中的设计反应谱曲线[3]，计算地震作用力，依照按面积分配法[4]计算了各片墙体承受的水平剪力，并与标准墙体抗剪强度设计值[4，5]进行计较。

2 结构的地震荷载计算

2.1结构的自振周期

采用底部剪力法计算结构的地震作用时，首先要确定其第一自振周期，笔者进行了整体结构的模态分析。结构模型的平面图如图1所示，长度为38000mm，宽度为8400mm，高度为8360mm，2层的层高均为3200mm，屋架的高度为1960mm。由于是教学楼建筑，所以墙体开洞(门、窗)率很大，如图2(a)所示，开洞对于龙骨式组合墙体的抗震性能有很大的影响。

采用通用结构分析软件SAP2000建立了整体结构的空间模型，对于冷弯薄壁型钢龙骨体系，外蒙皮板对结构的抗剪强度和刚度有很大的贡献作用，所以在模型中建立了墙板壳单元。笔者计算了结构的前20阶自振周期和振型，表1给出前3阶模态计算结果。

图1 结构模型平面图(mm)

图2 结构振型

2.2水平地震作用计算

表1 结构的自振周期

根据建筑抗震设计规范[3]，采用底部剪力法计算地震对结构的作用，结构重力荷载的代表值取恒载加上0.5倍的楼面活载。该工程拟建造地区的抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度值为 0.15g，设计地震分组为第二组，场地土类别为II类，地震动反应特征周期值为 0.4s。

以下采用底部剪力法计算结构的水平地震荷载，把结构质量分成3个部分，底层质量m1、二层质量m21和屋架质量m22，各质点的质量可由软件直接提取得到。地震动反应谱特征周期值[3]为Tg=0.40s，按照多遇地震考虑αmax=0.12，结构的阻尼比取ξ=0.05。

图3 地震影响系数曲线

根据规范的地震影响系数曲线(图3)计算结构总的水平地震作用标准值FEK=134.6kN。

采用底部剪力法时，二层楼的结构简化成为2个质点。第1个质点包括底层结构自重和楼板的恒载及活载，质量位置在楼板处，标高3.2m。第2个质点为二层钢结构和屋盖的恒载及活载，其作用位置采用如下方法计算：

把G2首先分成2个质点：G21重量包括二层钢结构墙体，G22重量包括屋架恒、活载，算出等效质心的作用位置。

底部剪力法的计算简图和质点作用位置如图4和图5所示。由图4可见，H1=3.2m，H2=5.23m。2个质点的重力荷载代表值为G1=1050.0kN，G2=268.6kN。

各层地震荷载作用为：

各层承受的剪力值为：

V1E=F1+F2=134.5kNV2E=F2=39.7kN

图4 等效质量计算简图图5 底部剪力法质点作用位置

3 结构的抗震能力评估

3.1组合墙体的抗剪承载力设计值

在低层冷弯薄壁型钢结构住宅中，侧向力抵抗体系由屋面、楼面和墙体(剪力墙)组成，即整个房屋各组合体均参与横向荷载的传递。在实际设计中，要分别进行房屋横、纵2个方向水平地震作用下结构的强度和刚度验算。对于侧向力抵抗体系的设计，在计算结构单面剪力墙体分配的地震荷载时，采用了按面积分配法[4]，其假定水平隔板与剪力墙相比是相对柔性的，因此这种方法是按照从属面积分配荷载的。

目前对于单片组合墙体的抗剪强度及刚度的确定还没有成熟的设计理论及公式，相关性能参数主要由足尺模型的水平加载抗剪试验研究来确定。该建筑结构中主要采用的是2种组合墙体形式，类型1为S10010@610mm钢龙骨柱，双面分别覆12mm厚OSB板和12mm厚石膏板；类型2为S10010@610mm钢龙骨柱，双面分别覆钢拉带SP10010和12mm厚石膏板。根据文献[4，5]的试验研究成果，类型1标准墙体的抗剪强度设计值为11.0kN/m，类型2标准墙体的抗剪强度设计值为9.30kN/m。

关于剪力墙开洞因素的考虑，根据低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程(送审稿)，当洞口宽度大于400mm，高度大于600mm时，此水平长度段的洞口墙体不计入抗剪墙体。该结构中门、窗开洞尺寸均大于该项值，故开洞部分的墙体不考虑该段的结构抗剪作用。除去开洞部分，实际参予抗剪墙体的有效长度：底层纵向(长边)，类型1墙体长度L1X=31.0m；底层横向(短边)，类型2墙体长度L1Y=48m；二层纵向(长边)，类型1墙体长度L2X=31.0m；二层横向(短边)类型2墙体，长度L2Y=48m。

3.2结构的抗震性能评估

考虑地震作用的荷载组合，地震荷载的分项系数[6]为1.3，结构每层墙体承受的总荷载为：

V1=1.3×V1E=174.9kNV2=1.3×V2E=51.6kN

地震荷载效应按面积分配法，根据每面剪力墙体控制的跨度范围，分配各自承担的墙体剪力。对于X向的墙体来说，参予抗剪的只有2面纵向墙体，可以认为它们平均分配剪力；对于Y向的墙体来说，参予抗剪的有8面横向墙体，由于它们并非均匀布置，故对其编号为Ⅰ至Ⅷ，按照跨度范围计算剪力分配系数，墙体编号示意如图6所示，剪力分配系数如表2所示。

图6 横向墙体的编号

墙体编号跨度范围/mm分配系数墙体编号跨度范围mm分配系数Ⅰ12500033Ⅴ90000237Ⅱ25000066Ⅵ90000237Ⅲ27500072Ⅶ60000158Ⅳ60000158Ⅷ15000039

根据墙体的剪力分配系数，计算各片墙体实际承受的水平剪力，并和抗剪强度设计值进行比较，从而评估整体结构的整体抗震性能。分析结果如表3所示，限于篇幅，对Y向抗剪墙体来说，只列举了剪力分配系数最大的墙体V的分析结果。

表3 地震作用下组合墙体的抗震性能分析

从表3中可以看出，底层X向墙体承受的剪力设计值5.64kN/m小于其抗剪强度设计值11.0kN/m，底层Y向最不利位置的V号墙体承受的剪力设计值5.19kN/m小于其抗剪强度设计值9.30kN/m；二层X向墙体承受的剪力设计值1.66kN/m小于其抗剪强度设计值11.0kN/m，二层Y向最不利位置的V号墙体承受的剪力设计值1.53kN/m小于其抗剪强度设计值9.30kN/m。总体来说，二层结构由于承受的水平剪力小，其墙体的抗剪安全系数更高。

综合上述分析，该建筑结构采用了高强冷弯薄壁型钢龙骨承重体系，自重轻，且抗侧刚度大，整体结构具有较好的抗震设防效果。