自承重式墙体与钢框架复合体系在变电站结构中的抗震性能研究

刘 超， 张慧洁, 王静峰, 王 灿, 张 荣

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年来，基于环境友好和资源节约理念，国家电网公司积极推进装配式变电站模块化建设。其中安徽公司主要致力于自承重式墙体在变电站结构中的应用研究，以钢框架为骨架、以轻质高强、节能环保、便于安装的自承重式墙体为围护体系构建轻型装配式的“两型一化”变电站[1-3]。

这种自承重式墙体与钢框架复合体系具有施工便捷、建设周期短、现场湿作业少、材料可以回收利用、整体性好等优点。然而变电站跨度较大，梁端弯矩过大，自承重式墙体抵抗弯矩难以满足承载力要求，目前钢框架和自承重式墙体二者协同工作性能尚未可知，其抗震性能也缺乏研究，因此将这种体系应用于变电站中仍存在诸多局限性。

为研究自承重式墙体与钢框架复合体系协同抗震性能，本文利用等代拉杆法对自承重式墙体进行了非线性简化分析，同时利用SAP2000有限元分析软件对此复合体系进行了弹性时程分析，研究该体系在7度多遇地震作用下的变形和应力变化规律。

1 体系介绍

1.1 门式刚架

作为一种传统结构体系，门式刚架轻型房屋具有受力简单、传力路径明确、施工安装便捷、构件可实现工厂预制化等优点，目前已广泛应用于安徽省装配式变电站。本文所研究的自承重式墙体与钢框架复合体系中，门式刚架可采用等截面或者变截面实腹结构，屋面采用轻型屋面，外墙为轻型外墙,如图1所示。门式刚架主体由钢结构相关厂家以组装部件的形式在工厂完成部件生产，部件运输到施工现场后以吊装方式通过螺栓连接完成组装，施工过程不涉及动火作业和湿作业。各刚架构件之间通过节点进行连接。

图1 门式刚架轻型房屋简图

1.2 自承重式墙体

自承重式墙体是由冷弯薄壁型钢骨架、轻聚合物填料(水泥基或石膏基)、钢丝网片、面板等组成， 通过模具(平模或立模)在骨架内填筑轻聚合物，然后在工厂内适宜条件下养护完成，形成的一种新型预制“整体式”组合墙板，如图2所示。这种自承重式墙体构造简单、施工方便、连接可靠，且内部填充的轻聚合物保温隔热性能较好，能提高门窗缝隙的密封性，改善室内环境，并可实现工厂预制化，进一步推动变电站结构装配化、绿色化和工业化。

图2 自承重式墙体简图

2 自承重式墙体非线性简化分析

2.1 基本假定

参考日本规范[4]，利用等代拉杆法将自承重式墙体等效为杆件体系，各个杆件之间相互铰接，推导墙体抗侧刚度时遵循以下基本假定：

(1)假定为立柱和竖龙骨与上下导轨铰接；

(2)内填轻聚合物等效为斜向的拉压杆，等效拉压刚度为EAG；

(3)顶部集中力P的作用下等效前侧移与等效后侧移相等；

(4)墙体顶部侧移远大于墙体构件轴向变形，轴向变形忽略不计；

(5)等代拉压杆的刚度EAG远小于墙体各钢构件的刚度EA，根据此假定，忽略墙体其他钢构件的拉伸和压缩变形引起的弯曲变形。

2.2 简化模型

墙体试件高2 755 mm，宽3 000 mm，厚129 mm，上下导轨、立柱均采用规格为C89×41×11×0.9(腹板×翼缘×卷边×截面，单位：mm)的冷弯薄壁C型钢，轻质填料为石膏基。遵循上述假定，建立自承重式墙体抗侧刚度简化计算模型，简化模型如图3所示。

图3 自承重式墙体简化计算模型

简化后自承重式墙体的填料等代为斜杆，模型中各杆件之间连接均采用铰接，立柱和竖龙骨下端单元节点采用刚接，约束6个自由度以模拟地梁和试验中抗剪螺栓和抗拔件的约束作用，而立柱和竖龙骨上端只对立柱和导轨平面外平动自由度U2、转动自由度R2进行约束，以保证墙体不发生平面外平动和转动。

2.3 模型分析

2.3.1 骨架曲线对比

骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性。将试验得到的墙体试件骨架曲线与有限元模拟得到的模型骨架曲线进行对比，如图4所示。

图4 试验与模拟骨架曲线对比图

从图4可以看出：有限元模拟和试验得到的骨架曲线基本吻合，基本能反映出试件的初始刚度和承载能力。

2.3.2 荷载和位移特征值对比

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101-2015)[5]相关条文规定，对墙体试验和有限元模拟所得到的荷载和位移特征值进行计算，计算结果见表1。

表1 试件荷载和位移特征值与有限元结果对比

误差=(有限元结果-试验结果)÷试验结果

通过表中数据可知，试验与有限元的荷载特征值计算结果基本一致，误差均在10%以内；试件的位移特征值误差在15%以内，延性系数误差在1%以内。计算结果与试验结果相差较小，在一定程度上能反映试件的性能。

通过对组合墙体试件骨架曲线、荷载与位移特征值计算结果的对比分析，模拟曲线与试验曲线较为吻合，模拟结果与试验结果基本一致，可以发现等代拉杆简化模型能够较好地模拟自承重式墙体，有较高的准确性和精度，为后续自承重式墙体在弹塑性地震反应分析中的理论研究设计和研究提供了计算依据。

3 弹性时程分析

3.1 工程概况

以110 kV变电站为例，结合国网通用设计和现有案例，本变电站建筑面积在500 m2左右， 由于荷载较小，选择质量较轻、工业化程度较高、施工周期较短的结构形式，采用轻型门式刚架结构，梁柱选用热轧H型钢，屋架和墙板龙骨选用冷弯薄壁C型钢，其中柱距为8.5 m和6.1 m，跨度为11.0 m，并根据工艺要求设为单层单跨，平面布置如图5所示。

图5 平面布置图

3.2 结构模型

自承重式墙体与钢框架复合体系结构模型采用SAP2000有限元分析软件建立有限元模型，如图6所示。

图6 结构计算模型

3.3 地震波选取

工程抗震设防烈度为7度，多遇地震，基本地震加速度值为0.1g，设计分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。地震影响系数曲线如图7所示。

图7 地震影响系数曲线

采用时程分析法，参考《建筑结构抗震设计规范》(GB50011-2010)[6]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，其中选取不少于二组实际记录和一组人工模拟的加速度时程曲线作为输入，根据以上规定选取15 s的地震波加载时间，大于结构基本周期的5倍，且不小于15 s。选取的两组天然波和一组人工波加速度时程曲线如图8所示。

图8 三组地震波加速度时程曲线

3.4 计算结果与分析

3.4.1 节点位移

结构节点位移能够在一定程度上反映杆件的受力是否合理。结构刚度越大，位移越小。反之，结构柔度越大，位移越小，当超过国家规范规定的标准时，就难以满足正常使用要求。提取在三组地震波作用下的钢梁跨中、钢柱柱柱顶、屋架弦杆、墙体龙骨等部分节点水平最大位移，整体结构在7度多遇地震下的变形云图和X向、Y向最大水平位移如图9和表2所示。

图9 整体结构变形云图

表2 特征节点水平最大位移

由表2可知：

(1)参考《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022-2015)[6]相关规定，单层门式刚架柱顶位移值不应大于h/60，选取的三组柱顶节点在三组地震波作用下X向水平位移平均值最大值为6.41 mm，Y向水平位移最大值为3.91 mm，均小于h/60=4 700/60≈78.33 mm，满足规范要求。

(2)参考《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)[7]和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022-2015)[6]相关规定，结构的钢梁挠度容许值取跨度的1/400，屋架挠度容许值取跨度的1/250，屋面檩条挠度允许值取跨度的1/200，墙板水平挠度容许值取跨度的1/100。经过验算可得：7.65/11 000=0.000 699<1/400，7.41/11 000=0.000 673<1/250，3.73/11 000=0.000 0339<1/100，由此可见，在7度多遇地震作用下，该结构的变形满足规范要求，结构安全。

3.4.2 杆件应力

物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。应力过大可能会导致构件开裂等问题，降低结构强度和使用寿命，应力过小可能会造成材料浪费等问题，因此应当综合考虑，在保证使用安全、可靠、发挥其功能的条件下保证应力大小合适。提取三组地震波作用下钢柱、钢梁、屋架弦杆和墙体龙骨等杆件的应力，结构在7度多遇地震下的应力数据见表3。

表3 特征杆件应力

参考《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)[7]相关规定，杆件的最大应力值不应大于钢材的强度设计值。上表中选取的特征杆件中钢梁钢柱采用Q235钢材，屋架弦杆和墙体龙骨采用G550冷弯薄壁C型钢。钢梁钢柱中最大压应力为43.30 MPa，小于Q235钢材强度设计值215 MPa，屋架弦杆和墙体龙骨中最大压应力为29.32 MPa，小于G550冷弯薄壁C型钢强度设计值460 MPa。因此，该结构在7度多遇地震作用下的应力满足规范要求，结构安全。

4 结 论

本文对自承重式墙体进行了非线性简化分析，并对自承重式墙体和钢框架复合体系在7度多遇地震作用下进行了弹性时程分析，得到下列结论：

(1)等代拉杆简化模型能够较好地模拟自承重式墙体，有较高的准确性和精度，为后续自承重式墙体在弹塑性地震反应分析中的理论研究设计和研究提供了计算依据。

(2)在7度多遇地震作用下，本文研究的自承重式墙体与钢框架复合体系的变形和应力均能满足规范要求，结构安全。

(3)本文的研究结论可为变电站加快装配式模块化建设、完善装配式建筑配套技术提供科学依据。