村镇装配式低层钢结构抗震性能研究

文 / 赵士永 褚少辉 刘亚贤

1 引言

目前，我国农村大量保有的住宅多为砌体结构，一旦发生地震灾害，往往会造成极为严重的损失，而轻钢结构具有良好的抗震性能，逐渐成为了土木工程师关注的热点结构形式。本文以石家庄某小区住宅楼为研究对象，采用有限元分析方法，通过谱反应分析，得出了该结构的振动频率，从而为类似工程提供参考，避免共振破坏，希望本文的研究可以规范河北省装配式低层钢结构住宅建筑的建设，提高工业化设计与建造技术水平，贯彻国家“适用、经济、安全、绿色、美观”的建筑方针，全面提高装配式低层钢结构住宅建筑建设的环境效益、社会效益和经济效益。

2 工程概况

某村镇住宅楼为低层装配式钢结构，采用轻钢框架结构，钢梁柱尺寸均为HN250×250×9×14，墙板为ALC板，钢梁柱采用BM-5螺栓连接，如图1所示。该住宅楼共两层，如图2所示，一层有卧室、洗衣房、卫生间、客厅、厨房、餐厅等，二层主要为卧室、客厅、卫生间。可以较高水准地满足人们的生活需要。

图1 螺栓及螺栓连接部位详图

图2 某村镇住宅楼平面图

3 非线性有限元模型分析

3.1 单元选择

钢梁柱采用梁单元beam188，墙板采用实体单元SOLID65，可以较真实反映结构的受力情况。

3.2 材料性质

各单元材料属性如表1所示。

表1 各单元材料属性

3.3 创建模型

钢框架以keypoints和lines建立，尺寸以结构模型为依据；墙板用volumes建立。螺栓、螺母以及钢垫板单元连接的部位不具体建立实体模型，只是采用刚接或铰接形式处理。

根据工程实际尺寸，建立关键点，连线创建钢框架，通过实体单元建立墙体，墙体和框架采用刚接或者铰接，不再建立螺栓的实体模型。

划分网格时，钢框架采用自动划分方式，墙体采用体扫掠的方式，如图3所示，分别为纯框架与内嵌式墙板框架网格划分示意图。

图3 钢结构网格划分示意图

3.4 加载与求解

（1）施加荷载

按照工程实际推算，楼面恒荷载取6.5kN/m2；活荷载取4.0kN/m2；场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为Tg=0.4s，最大地震影响系数为0.08。

（2）边界条件

模型钢柱底均施加三个方向位移约束和转动约束，实现固结。

（3）响应曲线分析

1）纯钢框架谱响应曲线

根据建立有限元模型特点，如图4所示，选取节点191，188，183，178四个节点的X向地震谱响应曲线作为分析对象。

图4 节点位置示意图

2）内嵌钢框架谱响应曲线

同样选择结构左侧原点上部框架顶端框架梁柱交点处的节点191，188，183，178四个节点的X向地震谱响应曲线作为分析对象。

同时，内嵌墙板的框架比纯框架较大位移响应的频率较高，说明内嵌式提高了结构的刚度。

4 结语

通过谱响应曲线可知，纯钢框架模型在第二、四阶振型时位移响应较大，对应周期为0.3015s、0.0971s，内嵌钢框架模型可能会在第一、四阶振型时位移响应较大，对应频率为5.9397HZ、12.884HZ，对应周期为0.1684s、0.078s，有内嵌墙板的比纯钢框架的发生较大位移响应的频率高，周期短。所以村镇在建设低层装配式钢结构住宅时，可以利用本文的方法计算主震周期频率，选择采用满足不同要求的墙板组合形式，避免地震作用下造成的共振破坏。