冷弯薄壁结构在地震高烈度地区的应用

何树凯

（重庆建工集团股份有限公司，重庆 401122）

0 引言

四川省凉山彝族自治州幼儿园项目为凉山州教育基础设施扶贫项目，工程遍布凉山州17个县市的各乡镇，拟建450所幼儿园，总建筑面积409740m2。整个项目广泛分布于西昌市、德昌县、喜德县等17县市的418个乡镇，由于项目所在地基础设施建设相对落后，交通、水电、地质问题突出，加之传统的施工条件受限，施工组织极为困难。

1 项目重难点

（1）项目选址基本位于偏远乡镇，多数无路通行，大型机具设备难以到达施工现场。

（2）当地基础设施建设落后，部分地区水电不通，达不到传统施工技术条件。

（3）项目位于地震多发区，抗震设防7～9度，幼儿园属于重点类设防建筑，按照规范必须提高抗震设防措施，若按照传统的结构形式，含钢量将提高，造价增加。

2 解决方案

项目因地制宜可选择钢筋混凝土、钢框架、冷弯薄壁三种方案，但客观的现场条件要求项目结构应具有标准化、模块化、工业化、装配化及轻型化的特点。据可行性分析，冷弯薄壁轻钢结构体系能很好地满足上述特点[1]，其高度装配化的特点符合国家的装配式建筑推广政策，也符合当地大力发展钢结构产业基地的精神。其特点如下：

（1）工业化程度高、结构耐久性好；

（2）用钢量低、自重轻、墙体薄、综合经济性好；

（3）结构强度高、整体性好、安全性更高；

（4）板肋结构、加筋设计、抗震性能更好；

（5）回收率高、绿色环保；

（6）安装简单、制约性少、工期短。

3 冷弯薄壁构造

项目为3层建筑，建筑总高为11.7m，平面长、宽尺寸约为48m×16.3m。承重墙采用冷弯薄壁型钢立柱+定向刨花板+建筑板材，非承重墙采用冷弯薄壁型钢立柱+建筑板材，楼盖采用冷弯薄壁型钢钢梁+定向刨花板+40mm厚细石混凝土现浇层。

3.1 楼盖构造

楼盖梁与边梁均采用冷弯薄壁轻钢，自攻螺钉连接，楼面结构板为18mm厚OSB板，通过自攻螺钉连接至楼盖梁。组合楼盖构造详见图1。

图1 组合楼盖构造图

3.2 墙体构造

墙体由冷弯薄壁型钢构件和墙面板经自攻螺钉连接而成（详细构造见图2），是住宅的主要承重构件之一，不仅承受竖向荷载，同时也承受风载和地震作用[2]。

图2 墙体基本构造图

4 结构优化

剪力墙性能对结构至关重要，为提高结构整体抗震性能，在龙骨中附加水平和斜向支撑以形成桁架骨架，性能较板肋式有较大提升[3]，更适用于大洞口墙体。针对两种结构类型进行了对比试验，试验结果表明前者地震抗剪极限承载力为后者的1.27倍，试验加载装置如图3、图4所示。

图3 板肋式龙骨体系

图4 格构式龙骨体系

5 结构分析

该项目选用有限元软件ABAQUS对结构在地震作用下的受力行为进行模拟。主要分两步，首先进行模态分析，得到各阶模态下结构的自振频率和各阶振型，然后根据工况进行动力时程分析，并施加地震波，得到在特定地震波作用下结构各层位移反应。

5.1 有限元模型的建立

结构中立柱、导轨、横连、斜撑、腹杆、弦杆等使用的冷弯薄壁型钢的构件采用三维线性梁单元建模，楼面板、屋面板及内外墙面板采用四节点壳单元建模[4]。构件之间连接主要采用绑定约束[5]，通过设置竖向重力加速度来模拟结构物自身的重量，楼、屋面荷载则采用施加均布荷载和线荷载的方式处理，整体结构的有限元模型见图5、图6。

图5 有限元框架模型

图6 有限元整体模型

5.2 地震作用

依据国家现行规范《建筑抗震设计规范》及《中国地震动参数区划图》的规定，地震动与地震波主要参数详见表1、表2，建筑的重力荷载代表值GE取结构和构配件自重标准值、各可变荷载组合值之和。

表1 地震动参数

表2 地震波主要参数

5.3 分析结果

（1） 模态分析

对有限元模型进行模态分析，表3列出了有限元模型前3阶自振频率，图7则为冷弯薄壁型结构前3阶振型，结构模型1阶模态的自振频率4.217，满足规程2.850～4.274的要求。

表3 前三阶振型频率表（单位：Hz）

图7 前三振型图

（2）位移响应分析

不同抗震设防烈度作用下，各层参考点在水平方向的最大相对位移与层间位移角见表4。

表4 有限元模型各楼层水平向最大相对位移汇总

有限元模型的最大层间位移角为0.0119，满足要求，具备良好的抗震性能。

6 结构试验

6.1 试验计划

由于组合墙体的开洞口尺寸、覆面情况、格构设置差异会对结构性能产生影响[6]，对冷弯薄壁型钢组合墙体进行一系列试验研究，共制作了6个试件，测试不同墙体开洞、覆面类型、柱间设计、螺钉间距等因素在低周反复荷载作用下的影响。

图8 墙体结构试验图

6.2 试验装置

试验在轻钢集成技术专项试验室进行，采用液压伺服作动器加载，试验全过程由伺服加载控制器管理[7]，组合墙体构造及试验装置见图8。

6.3 试验结果

在水平低周反复荷载作用下，试件经历了弹性、弹塑性和破坏三个阶段，主要发生剪切滑移破坏。试件最后破坏时，端部墙架柱发生屈曲，墙面板周边和角部的自攻螺钉连接几乎全部拉脱，但墙面板中部的螺钉连接损坏不大，试验中未发现墙面板的整体脱落现象。

（1）格构体系对墙体抗震性能的影响

试验结果表明，增设格构体系的组合墙体与普通肋板组合墙体相比，屈服荷载、峰值荷载、抗侧刚度均有所提高，由于支撑对组合墙体型钢骨架的变形起到了一定的约束作用，墙体延性有所降低[8]。

（2）墙体开洞对墙体抗震性能的影响

开洞口组合墙体与不开洞口组合墙体相比，屈服荷载、峰值荷载有所降低，但抗侧刚度与延性小幅提高。

（3）单面覆板和双面覆板组合墙体的抗震性能比较

双面覆板与单面覆板组合墙体相比，屈服荷载、峰值荷载、抗侧刚度显著提高，延性也有所提高。

（4）竖向荷载对墙体抗震性能的影响

受竖向荷载与不施加竖向荷载的墙体相比，屈服荷载、峰值荷载略微降低，但由于竖向荷载的施加，使得抗侧刚度、延性提高。

综合试验结果，项目最终选用双面覆板格构组合墙体，严格控制开洞尺寸与位置，并对局部连接进行加密处理。

7 结语

目前冷弯薄壁轻钢幼儿园已建成并投入使用，为加快推进凉山州基础教育发展、改变当地学前教育落后现状奠定了坚实的基础。其建筑结构具有标准化、模块化、工业化、装配化及轻型化的特点，符合国家大力推广装配式建筑的趋势。由于构件短而轻，基本不受道路运输条件制约，在大型设备难以抵达现场的条件下也可以轻易安装，成本更为经济，也更适合建造于各种条件地基之上，结构整体性好，安全性高，抗震性能满足当地高烈度设防要求。