云南傣式冷弯薄壁型钢住宅地震反应安全性分析

李文凯 王俊平 虞毅洋

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650000)

0 引言

冷弯薄壁钢是一种各种截面形状的成品钢材，在冷态下由钢或钢板弯曲。与普通钢相比，冷弯薄壁钢在住宅结构中具有以下独特优势：①轻质高强，综合经济性好；②建筑质量高，施工周期短；③结构强度高，整体性好；④保温隔热，节能环保。目前，薄壁钢结构体系已在许多发达国家的低层住宅建筑中得到广泛应用，其相应的理论和技术已经成熟。众所周知，云南是一个地震多发地区，为了响应国家推广钢结构应用相关政策和《云南省西双版纳傣族自治州民族传统建筑保护条例》的要求，鉴于这种结构形式的发展前景，推广使用傣式冷弯薄壁型钢结构体系并进行抗震性能分析是很有必要的。

结构的地震反应决定于地震动和结构特性，特别是动力特性。因此，地震反应分析的水平也是随着人们对这两方面认识的深入而提高的[1]。随着快速发展的地震分析，相继出现了静态分析方法，反应谱分析方法和时程分析方法。

1 傣式冷弯薄壁型钢房屋结构概况

1.1 结构概况

本结构的建筑面积95 m2，共两层(如图1)。一层由普通钢框架组成，柱截面选用空心方形，梁截面选用工字型，梁柱结点通过螺栓连接；二层由冷弯薄壁型钢墙体组成，组合墙体内墙的内外侧均采用石膏板，通过自攻螺钉将钢骨分别与内外侧的石膏板连接；外墙外侧是OSB板，内侧是石膏板，通过自攻螺钉将钢骨分别与外侧OSB板、内侧石膏板连接；屋面采用彩石金属瓦，通过瓦条与钢屋架连接。结构平面图如图2所示。

图1 现场施工

(a)一层平面

1.2 构件选型

一层采用钢框架结构，层高3 m，梁柱均采用Q235钢；钢柱采用方管，规格为150 mm×5 mm；钢梁的规格为HN198×99 mm×4.5 mm×7 mm。二层由冷弯薄壁型钢墙体组合而成，层高3 m，规格C89×44.5 mm×12 mm×1 mm的是骨架立柱，通过U形型钢连接规格U92×40 mm×1 mm的导轨。外墙外侧是OSB板，内侧是石膏板；内墙两侧的墙板均为石膏板，用自攻螺钉连接钢框架和墙板。组合墙体外墙的窗洞尺寸为1.5 m×1.8 m的窗洞，组合墙体内墙门洞尺寸为2.1 m×0.9 m的门洞。轻钢复合柱由3根冷弯成型的C89×44.5 mm×12 mm×1 mm薄壁C型钢组成，两个C形钢背对背，通过自攻螺钉连接，间距为600 mm，两个卷边相并的C型钢通过自攻螺钉连接，间距为600 mm。钢屋架为U形冷弯薄壁钢，规格为U92×40 mm×1 mm，腹板由C型冷弯薄壁钢制成，规格为C89×44.5 mm×12 mm×1 mm。

1.3 荷载

作用在结构上的荷载主要是：

(1)墙体自重标准值。组合墙体内墙：1.53 kN/m2；组合墙体外墙：3.31 kN/m2。

(2)楼面荷载标准值。楼板的自重：2.26 kN/m2；楼面荷载：2.0 kN/m2。

(3)屋面荷载标准值。屋面自重：0.45 kN/m2；不上人屋面：0.5 kN/m2；上人屋面：2.0 kN/m2。

(4)各构件自重标准值。钢梁：0.185 kN/m；钢方柱：0.228 kN/m；钢骨架立柱：0.016 kN/m。

2 房屋简化模型的建立

2.1 模型概述

对于冷弯薄壁型钢组合墙体，可根据日本规范的一种实用计算方法：墙体等代拉杆置换法(等代拉杆法)，将组合墙体近似等效为等代拉杆模型(图3)，已达到简化整体结构模型的目的[2]。

图3 组合墙体简化模型

建模方法说明如下：①利用等代拉杆法将冷弯薄壁型钢组合墙体进行简化，由线单元连接墙体，轴向力只被杆件承担；②为简化分析，考虑一层楼板为刚性的；③为了考虑冷弯薄壁型钢组合墙体龙骨立柱和骨架导轨具有足够的刚度，可将杆件的弹性模量放大100倍。

2.2 模态分析

模态分析是线性结构系统地震分析中最常用且最有效的方法[3]。模态分析后，可以提取阵型、周期等各项数据。此外，模态分析不仅可以判断结构模型的正确性，还可以对结构的动力特性作分析。

通过查看软件SAP2000输出的振型质量参与系数，可以判断出结构振型是平动振型为主还是扭转振型为主。判断方法主要是看输出项中UX、UY和RZ间的关系，若UX+UY>RZ则说明该振型为平动振型，反之为扭转振型。确定了平动振型之后，通过对比UX、UY的系数大小来确定是以那个方向平动为主。三阶结构周期及振型质量参与系数(如表1)所示。

表1 结构三阶周期及质量振型参与系数

从表中看出，前两阶振型主要沿x、y方向平动，第三阶振型的质量参与系数UX为0.002 4，RZ为0.656 1，表明第三振型主要以扭转为主。另外，一、两阶振型的质量参与系数大致相同，表明房屋在x和y方向上质量和刚度分布均匀。

3 地震反应分析

3.1 地震波的选取

为了对傣式冷弯薄壁型钢房屋结构进行地震动力弹性反应分析，选取合适的地震波很重要。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)5.1.2条：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%[4]。地震波信息见表2，反应谱曲线见图4。

表2 地震波信息

图4 地震波的反应谱曲线

3.2 冷弯薄壁型钢房屋地震反应分析

冷弯薄壁型钢房屋结构模型是在8度(0.2g)多遇地震作用下的，结构表现为线弹性，因此可以采用3种结构分析方法：时程分析法、反应谱法和底部剪力法进行分析。数据如表3～表5所示。

表5 层间位移角对比 1/rad

从表3中可以看出，二层结构在两个方向的剪力值，当采用底部剪力法时结果较大，采用时程分析法时所算值次之；一层普通结构在x方向和y方向的剪力值，采用时程分析法所算值最大，底部剪力法计算剪力值最小。所以，采用时程分析法计算层间剪力偏安全。

表3 层间剪力对比 kN

从表4中可以看出，一、二层在x、y两个方向的层间位移值相差不大，二层轻钢结构在两个方向的层间位移，通过底部剪力法计算值相比其他两种方法计算值较大；一层普通钢结构在两个方向的层间位移，用底部剪力法所算结果比其他两种方法所算值小很多，时程分析法计算值最大。所以，采用时程分析法计算结构的层间位移偏安全。

表4 层间位移对比 mm

《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》[5]4.4.4条规定：由水平风荷载标准值或多遇地震作用标准值产生的层间位移与层高之比不应大于1/300[5]。从表5中看出，3种方法计算的层间位移角值都满足规程规定的值。但是，二层轻钢结构在底部剪力法计算下，层间位移角值较大，时程分析法次之；一层普通钢结构的层间位移角，时程分析法计算值较大，底部剪力法计算值次之。

综上，在分析冷弯薄壁型钢房屋结构的地震反应时，采用时程分析法计算，所得结果偏安全，反应谱分析法次之，底部剪力法偏不安全。

4 结论

本文采用SAP2000 软件对95 m2冷弯薄壁型钢房屋整体结构进行了简化分析，通过建立模型并进行模态分析，然后采用地震反应分析方法对其进行线性地震反应分析，得出以下结论：

(1)对冷弯薄壁型钢房屋进行模态分析后，结果表明该房屋第一振型和第二振型为平动，第三振型主要以扭转振型为主，第一阶x向和第二阶y向的质量参与系数均高达98%以上，表明房屋在x向和y向质量、刚度分布均匀，偏心小。同时，为了防止屋面桁架出现局部失稳，从而影响结构的整体稳定性，需要增加必要的侧向支撑。

(2)通过冷弯薄壁型钢房屋的线性地震反应分析结果可知：对于层间剪力，一、二层在x、y两个方向上的剪力值相差比较小，二层轻钢结构在x向和y方向的剪力值，采用底部剪力法所算值较大，时程分析法所算值次之；一层普通结构在x向和y方向的剪力值，采用时程分析法所算值最大，底部剪力法计算剪力值最小。所以，采用时程分析法计算层间剪力偏安全。对于层间位移，一、二层在x、y两个方向的层间位移值相差不大，二层轻钢结构在两个方向的层间位移，通过底部剪力法计算值相比其他两种方法计算值较大；一层普通钢结构在两个方向的层间位移，用底部剪力法所算结果比其他两种方法所算值小很多，时程分析法计算值最大。所以，采用时程分析法计算结构的层间位移偏安全。对于层间位移角，一、二层的层间位移角最大值均小于规程值，满足规程抗震的有关要求。