单跨多层厂房装配整体式钢网格盒式结构静力弹塑性分析＊

2015-11-22华建坤马克俭孙敬明杨志勇张瑞鹏

贵州大学学报(自然科学版) 2015年4期

华建坤，马克俭，孙敬明，杨志勇，张瑞鹏

(贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳 550003)

随着我国经济的快速发展以及城市建筑的越发密集，在土地资源日益紧缺的今天，工业厂房的发展逐步走上了多层化道路。由于建筑钢材的优异性能，制作安装的高度工业化以及结构形式的新颖和灵巧，马克俭院士以国家循环经济三原则——节能减排、可持续发展及节约资源、节约土地变废为宝为指导，提出了新型装配整体式钢网格盒式结构。较之传统结构而言，盒式结构具有良好的空间受力性能［1］。本文就此新型结构对一拟建单跨四层厂房进行了静力弹塑性分析，对其抗震性能及破坏形式进行探讨，以期对工程应用提供参考。

1 装配整体式空间钢网格盒式结构体系

目前马克俭教授研发的装配整体式空间钢网格盒式结构已在我国多地的多层大跨工程中得到了应用。装配整体式空间钢网格盒式结构是由横向钢—混凝土协同式空腹夹层板与竖向钢网格墙架组合而成。空腹夹层板网格尺寸较小，网格式墙架柱距较密且柱间设置层间横梁，横向与竖向形成三维受力体系，具有“板”的力学效应［2］。相对于常规钢框架厂房，盒式结构内力分布比较均匀，内力幅值大为降低且具有足够多的结构冗余度，进而使构件截面尺寸大为减小且截面尺寸变化较少［2］。图1为钢网格墙架与空腹夹层板的组合示意图。

图1 空腹夹层板与网格墙架链接示意图

盒式结构楼盖采用钢—混凝土协同式组合空腹夹层板楼盖，楼盖由T 型钢上、下肋及剪力键组成的井字拼装单元在拼装点处通过高强螺栓连接，上肋于翼缘处通过设置栓钉使其与上方现浇混凝土板形成共同工作体系(如图2)。

图2 空腹夹层板空间示意图

2 工程概况

某拟建单跨多层工业厂房，建筑平面几何尺寸为21.0 m×63.0 m，共四层，第一层层高7.5 m，标准层层高4.5 m。根据《抗震规范》［3］，按7 度(0.01 g)、设计地震分组第一组进行抗震设防，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg取值0.35 s，结构阻尼比4%，楼面恒荷载取值1.5 kN/m2(吊顶及装饰抹灰荷载)，活荷载取值5.0 kN/m2，屋盖恒荷载取值3.0 kN/m2，活荷载取值0.5 kN/m2，基本风压0.35 kN/m2。由于厂房建筑楼盖平面长、短边之比LX/LY=3≥1.5，空腹夹层板采用正交斜放式空腹网格［2］，以便充分发挥其三维受力的空间力学效应。空腹夹层板网格尺寸为3.5 m×3.5 m，夹层板厚度取值800 mm(短跨方向跨度1/25－1/30)，下部柱间距为3.5 m。标准层每层分别设置2道层间横梁，具体截面尺寸见表1。本文采用SAP2000 大型有限元分析软件进行模型计算，结构模型如图3 所示。

表1 盒式结构主要构件尺寸表

图3 盒式结构模型图

3 静力弹塑性分析

3.1 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析，也称push-over 分析，是一种将地震作用转化为横向静力荷载，并对结构进行逐步加载直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止，控制点一般设置在建筑物顶层的形心位置。通过push-over 分析可以得到结构基底总剪力与顶点侧向位移关系曲线，并且由公式1，2 可将其转化为能力谱曲线。横向静力荷载作用下的能力谱曲线与地震需求谱位于同一坐标系中所产生的交点即为结构性能点。通过对结构性能点处层间位移曲线、塑性铰分布情况及薄弱部位的分析，来综合评估地震作用下结构的抗震性能。

式中:α1—第一振型质量参与系数

mi—i 层的质量

γ1—第一振型参与系数

φik—振型k 在i 层的振幅

X1，roof—第一振型顶点振幅

n—层数

γk—第k 振型的振型参与系数

3.2 模型数据

本文采用SAP2000 对盒式结构体系进行了7度罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，来综合评估新型结构的抗震性能。

模型中框架柱、空腹梁上下肋、剪力键、层间梁均采用梁单元来进行模拟。柱子两端分别设置PMM 铰以考虑弯矩和轴力的耦合作用;层间梁两端设置M3 铰;剪力键分别考虑两个方向的剪切和弯矩作用而在两端设置V2、V3 铰以及M2、M3 铰;空腹梁上肋按压弯构件考虑，在其两端设置P 铰与M3 铰;空腹梁下肋按拉弯构件考虑，在其两端设置P 铰与M3 铰。图4为空腹梁与剪力键交接处节点主要受力简图。塑性铰均采用程序默认值，构件骨架曲线如图5 所示。

图4 节点单元计算简图

图5 构件骨架曲线

本文采用模态加载模式，由于厂房为单跨结构，所以主要分析其单跨方向，即Y 向地震作用下结构抗震性能。推覆目标位移按建筑总高度2%设置，即420 mm。

3.3 Y 方向的push-over 分析

根据SAP2000 计算结果得到7 度罕遇地震作用下结构的push-over 分析曲线，如图6 所示。结构在性能点处的位移为48 mm，对应基底剪力为3998 kN，谱加速度Sa=0.216 g，谱位移Sd=46 mm。由push-over 分析曲线可知，性能点处整体结构仍处于弹性变形阶段，结构未出现屈服，整体结构刚度保持不变，可以满足抗震规范中“大震不倒”的要求，这是由于新型盒式结构采用密柱的形式，柱子间距较小，同时钢空腹夹层板楼盖也能提供较大的刚度，与网格式墙架构成一个受力整体，使结构整体抗侧刚度大幅提高。新型盒式结构可以解决单跨多层框架抗侧刚度不足的弊端，进而可以不受《抗震规范》中8.1.5 条的限制［3］。

结构层间位移曲线和层间位移角曲线如图7、图8 所示。由图7 可知，结构在Y 方向最大层间位移出现在第一层，大小为26.2 mm，以上每层层间位移逐渐减小，整体结构符合剪切变形趋势，即上部楼层层间位移较小，下部楼层层间位移较大。由图8 可知，结构在Y 方向的最大层间位移角出现在第一层，其大小为1/287，满足抗震规范所规定的多高层钢结构最大层间弹塑性位移角限值1/50。

图6 Y 方向push-over 分析曲线

图7 Y 方向性能点层间位移曲线

图8 Y 方向性能点层间位移角曲线

3.4 塑性铰发展分布图

由于结构位于性能点处仍旧处于弹性阶段，构件没有进入塑性变形阶段，同时整体结构并未达到所设置的推覆目标位移，继续加大顶点位移，观察新型结构体系在push-over 分析中塑性铰的出现规律。当结构顶点位移增大至220 mm 时，结构一层层间横梁因截面较小、刚度较小，首先进入塑性变形阶段，出现塑性铰，如图9(a)所示。接着随着推覆位移的增大，层间横梁塑性铰不断增多。当顶点位移增大到247 mm 时，底层外围少量空腹梁下肋出现弯矩塑性铰，图9(c)所示。当顶点位置增大至274 mm 时，底层部分框架柱开始进入塑性发展阶段，图9(d)。随着推覆位移的增大，整个结构进入弹塑性变形阶段。结构塑性铰发展规律如图9所示。

图9 塑性铰发展分布图

观察塑性铰发展规律，可以得知，层间梁由于截面较小、刚度较小，优先进入屈服阶段，起到了变形耗能的作用。其次空腹梁上、下肋进入塑性变形阶段，出现塑性铰。再次底层框架柱底端逐步进入塑性变形阶段。结构破坏形式符合“强柱弱梁”抗震设防设计理念，破坏趋势属于延性破坏，符合抗震设计原则。

通过分析钢空腹夹层板上下肋塑性铰发展分布规律，可以得知，空腹梁上肋由于与混凝土板形成共同工作体系，因而上肋的承载能力大于下肋，其进入屈服阶段的时间晚于空腹梁下肋，且上下肋塑性铰主要集中分布于每一层短跨方向两侧及转角处，底层塑性铰分布最多，随着楼层的提升，上部塑性铰逐渐减少，同样符合整体结构push 工况作用下内力分布原则。图10为顶点位移318 mm 时空腹梁塑性铰分布图。由此也可以得出外围空腹梁为受力较大的薄弱部位，因此通常在设计之中，将外围空腹梁上、下肋设计为实腹式工字钢，以避免外围空腹梁上下肋T 型钢腹板由于局部弯矩的作用而进入塑性变形阶段。同时也可以解决在设计时外围空腹梁上、下肋腹板过厚的问题。