低层无比钢结构的整体力学性能分析

2016-12-09肖亚明

工程与建设 2016年3期

关键词：墙板薄壁层间

胡倩, 肖亚明

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

低层无比钢结构的整体力学性能分析

胡倩, 肖亚明

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

基于有限元方法建立无比钢轻钢龙骨结构有限元分析模型，对有限元模型进行静力和时程分析，研究墙板对结构整体力学性能的影响，为该类结构体系在工程设计和实际应用中提供依据。结果表明，结构水平荷载主要考虑地震作用的影响；不考虑墙板作用时，无比钢纯钢骨架的整体刚度不足、侧移过大；墙板的蒙皮效应显著增强结构整体刚度，减少结构侧移，有效提高结构的承载力和抗震性能；OSB 板作为墙面板时，具有更好的力学性能和抗震性能。

无比钢轻钢龙骨结构；整体力学性能；蒙皮效应；承载力；侧移；时程分析

0 引言

无比钢轻钢龙骨结构体系是一种新型的冷弯薄壁型小桁架结构体系,薄壁方钢管通过V型连接件组成单片柱、四方柱以及桁架梁。主要承重结构是由单片柱、四方柱、拉条、槽钢和OSB板(或石膏板)通过自攻螺钉连接形成的组合墙体,以及桁架梁与混凝土组合楼板(或OSB板)形成的组合楼盖。推广应用无比钢结构建筑符合我国转变传统住宅生产方式,大力推广绿色、环保、节能及住宅装配化方针策略,在四川灾后重建、上海世博会、北京奥北别墅区等项目的应用中已经显现出其优越性。

随着冷弯薄壁型钢结构住宅的广泛推广和应用,国内外对C型和Z型组成的冷弯薄壁型钢结构进行了大量理论和试验研究[1-4],并颁布相应的规范和规程[5-6]。目前,国内外对无比轻钢龙骨结构体系的试验及设计方法研究较少,且对无比钢结构的研究重点还主要集中在单根柱子、有限长度梁和单片墙体性能方面[7-12]。

本文采用有限元软件对某无比钢结构房屋进行建模分析,评估结构的整体力学性能。

1 工程实例

本模型为 2 层建筑,结构长为12 m,宽为10.8 m,高为6 m,层高均为3 m。墙体立柱(单片柱及四方柱)中薄壁方钢管选用40 mm×40 mm×1.2 mm型号,薄壁方钢管中心间距为150 mm,立柱间距取600 mm,在墙端部、墙拐角处及门窗开洞处布置四方柱。墙面板采用石膏板或OSB板,墙板厚度为9 mm。桁架梁上、下弦杆选用型号为40 mm×40 mm×1.5 mm的薄壁方钢管,梁高为240 mm,桁架梁间距为600 mm,且布置在立柱上,屋面板及楼板采用100 mm厚的混凝土组合楼板,混凝土选用C35混凝土。门窗开洞处的过梁上、下弦杆分别选用型号40 mm×80 mm×1.5 mm、40 mm×60 mm×1.5 mm的薄壁矩形钢管,梁高为240 mm。C型导轨取190 mm×50 mm×1.5 mm,立柱和桁架梁中的V型连接件选用C型36 mm×12 mm×1.5 mm。

SAP2000自动计算结构自重,屋面均布恒荷载为2.5 kN/m2,均布活荷载为0.5 kN/m2;楼面均布恒荷载为1.5 kN/m2,均布活荷载为2.0 kN/m2;风荷载基本风压值为0.4 kN/m2,雪荷载基本雪压值为0.6 kN/m2;工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,设计分组第1组,Ⅱ类场地,抗震等级为二级,场地特征周期为0.35 s。

为研究无比钢结构体系中墙面板的蒙皮效应对结构整体受力性能的贡献,参考文献[6]和国外的一些规范理论建立3种有限元模型进行分析计算。模型1不考虑墙板贡献,忽略蒙皮效应;模型2、模型3考虑墙板的蒙皮效应,但采用不同的墙板材料,模型2采用双面石膏板,模型3采用双面OSB板。结构有限元分析钢骨架如图1所示。

图1 钢骨架图

2 计算分析

2.1 模态分析

运用有限元方法对3个模型进行模态分析,分别得到各个模型的振型和自振周期。模型1的第1阶振型为Y方向整体平动,第2阶振型为整体扭转,第3阶振型为X方向整体平动;模型2、模型3的第1阶振型为X方向整体平动,第2阶振型为Y方向整体平动,第3阶振型为整体扭转。3个模型前3阶自振周期见表1所列。

表1 结构自振周期 s

依据文献[6]中计算公式计算无比钢结构的自振周期,该结构建筑高度H为6 m,第1阶自振周期T=(0.02～0.03)H=(0.12 ～0.18)s。表明忽略墙体蒙皮作用,结构自振周期太大,整体刚度不够,无法满足规范要求;考虑墙体的蒙皮作用,模型比较合理,且结构整体性较好。双面OSB板对结构整体的约束力大于双面石膏板,故模型3的整体刚度大于模型2的整体刚度。因此,在无比钢结构体系中,必须考虑墙面板的蒙皮效应。

2.2 各工况作用下结构内力分析

在承载力极限状态,分别考虑以下5种荷载组合,S1:1.2D+1.4L;S2:1.2D+1.4L+0.84Wx;S3:1.2D+1.4L+0.84Wy;S4:1.2D+0.6L+1.3Ex;S5:1.2D+0.6L+1.3Ey。其中,D为恒荷载;L为活荷载;Wx为X向水平风荷载;Wy为Y向水平风荷载;Ex为X向水平地震作用;Ey为Y向水平地震作用。

对3种模型进行承载能力极限状态下各种荷载组合的内力分析,研究无比钢结构体系3种模型承载力差别。3个模型在5种荷载组合下,桁架柱和桁架梁轴力的最大值见表2所列。

比较3种模型的内力分析可以看出,模型2、模型3的墙面板约束桁架柱的弯曲和扭转,较大地提高桁架柱的承载力,故其承载力比模型1显著提高;墙板材料对墙体立柱的承载力有一定影响,模型2比模型3的立柱轴力值略大。

表2 构件轴力最大值及相应应力比 kN

2.3 各工况作用下结构位移分析

在正常使用极限状态,分别考虑以下5种荷载组合,D1:1.0D+1.0L;D2:1.0D+1.0L+0.6Wx;D3:1.0D+1.0L+0.6Wy;D4:1.0Ex;D5:1.0Ey。

表 3所列为3种模型在5种荷载工况下结构的侧移值。

表3 结构层间位移 mm

荷载工况D4、D5由于只考虑水平地震作用,所以结构Z方向侧移值可以忽略不计。由于无比钢结构体系并没有现行规范,暂依据文献[6]中对结构弹性层间位移限值,对低层无比钢结构体系的弹性层间位移进行判别。3种模型中,模型1在荷载工况D5作用下弹性层间位移角为1/93,大于最大层间位移角1/300,不能满足规范要求;模型2、模型3在荷载工况D4作用下弹性层间位移角分别为1/587、1/766,小于最大层间位移角1/300,满足规范要求。

比较3种模型的位移分析可以看出,墙板对立柱的侧向约束作用,大大降低结构的层间位移,增大结构的抗侧移刚度;墙板材料对结构的侧移刚度也有一定影响,模型3比模型2的层间位移更小;无比钢结构体系中,相比风荷载作用,地震作用对结构侧移的影响更为显著。

3 时程分析

无比刚结构体系的自重轻,结构变形较小,故对3种模型只进行7度常遇地震作用下的动力时程分析,计算时输入适合Ⅱ类场地特征且经过处理的El-Centro地震波。3种模型在7度常遇地震作用下,1层、2层的动力位移反应曲线如图2所示。

图2 3种模型位移反应曲线

在水平地震作用下,模型1的最大位移出现在1. 7 s 处,1层最大位移为38.08 mm,2层最大位移为78.94 mm,模型1最大弹性层间位移角为1/74,不满足规范要求;模型2的最大位移出现在1. 9 s 处,1层最大位移为5.32 mm,2层最大位移为10.54 mm,模型2最大弹性层间位移角为1/563,满足规范要求;模型3的最大位移出现在1.8 s处,1层最大位移为3.84 mm,2层最大位移为7.92 mm,模型3最大弹性层间位移角为1/735,满足规范要求。可见,墙面板的蒙皮效应使结构的抗侧刚度增大,结构在地震作用下的层间位移显著降低,OSB 板比石膏板结构的层间位移更小,抗震效果更好。