采用隔振技術冷彎薄壁型鋼結構彈塑性時程分析

高紅偉 姚 勇 褚云鵬
　　（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010）
　　摘 要：結合某冷彎薄壁型鋼結構，對采用隔振橡膠支座與原有結構進行彈塑性時程分析，將兩種結構加速度響應、位移響應、層間位移響應對比分析。結果表明：進行彈塑性分析時，隔振結構加速度響應小于原有結構，最大約減少50%；隔震結構的位移響應大于原有結構位移響應；隔振結構整體性強，結構主要受力構件小于原有結構，層間位移響應較小。
　　關鍵詞：冷彎薄壁型鋼；隔振技術；加速度響應；位移響應

　　0 前 言
　　20世紀60年代以來，新西蘭、日本、美國等多地震的國家對隔震系統投人相當多的人力物力，開展了深入系統的理論、試驗研究，取得了卓有成效的成果[1]。隔震技術的本質作用就是使結構和(或)構件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來。這種分離或解耦是通過增加系統的柔性和提供適當的阻尼來實現的[2]。1993年，中國建筑科學研究院在新疆獨子山建造一棟采用聚四氟乙烯板和鋼阻尼并聯的五層磚混結構，標志著我國隔振技術進入了新的階段。
　　冷彎薄壁型鋼結構住宅應用于新農村建設及牧區沙漠等缺乏建筑材料地區具有較強優勢[3]。2008年“汶川地震”后憑借其可快速為災后人民提供居住場所被人所熟知。冷彎薄壁型鋼屬于輕鋼結構，本身就具有較好的抗震性能，科研人員對冷彎薄壁型鋼結構已做了大量的實驗與理論研究[4]~[6]。但冷彎薄壁型鋼結構采用隔振技術很少有人研究。
　　文中結合某三層冷彎薄壁型鋼結構體系，對采用隔振技術和普通結構形式兩種結構進行分析，探究其在地震下加速度、位移等抗震性能是否有很大改善，并綜合評價隔振后結構的效應，最后給出了一定的評價。
　　1.模型的驗證
　　1.1 實驗試件
　　文獻[7]進行了冷彎薄壁型鋼墻體實驗與整體實驗。實驗試件為10片1:1雙面覆板（OSB板+石膏板），立柱及斜撐桿均為C型鋼，型號為C9010，上下導軌及剛性橫撐為冷彎槽鋼，導軌型號為P9016，橫撐型號P9010.石膏板厚度為10mm，寬×高為1.2m×3m；OSB板厚度為12mm，寬×高為1.22m×2.4m。自攻螺釘連接，鋼構件截面形式尺寸如圖1和表1。

　　選取文獻[7]中部分實實驗試件與數據進行驗證模擬，試件分類、編號及加載方式如表2。
　　1.3 實驗與計算結果對比
　　本文參考文獻[4]實驗數據，運用SAP2000中Pivot模型進行墻體分析，各試件實驗所得到的荷載-位移曲線與計算得到的荷載-位移如圖2。
　　由荷載位移曲線可得墻體的骨架曲線。WSC-1、WDO-1實驗與模擬如圖3。
　　實驗結果與計算結果得到的荷載-位移曲線與骨架曲線基本一致，表明計算方法能很好的模擬墻體的強度退化、剛度退化和捏縮效應。計算得到的骨架曲線與實驗得到墻體的骨架曲線吻合較好，可做更進一步研究。

　　2.三層冷彎薄壁型鋼整體房屋
　　整體模型平面尺寸設計為5.1m×5.1m，設兩個開間，模型平面圖為4，層高3m 共三層，立面圖與荷載參見文獻[7]。運用上述墻體模型建立三層冷彎薄壁型鋼整體房屋。得到結構的前3階頻率及質量參與系數如圖5，與文獻[7]對比如表3。

　　結構前3階模態分別對應y 方向整體平動、x方向整體平動和整體的扭轉，滿足一般規定。該建筑物高度為9m。根據日本、美國對低層冷彎薄壁型鋼結構住宅自振周期計算公式[8]

　　計算得到周期為T=0.27s和T=0.26s，由T=1/f得模型第一周期為0.25s，驗證了模型的合理性，為后續分析奠定了基礎。
　　3 隔振結構與原有結構地震響應
　　3.1 隔振模型的建立
　　隔振結構有限元模型是在原有結構底部添加隔振支座，隔振支座采用橡膠支座，上部結構不變。橡膠支座參數如表4。

　　3.2 結構動力特性對比
　　計算隔振結構房屋的自振頻率和振型，如表5。
　　由表5可以看出，隔振結構自振頻率小，約為普通結構的0.5倍，表明隔振橡膠支座的存在使得結構柔性增加，結構周期有較大的增大。
　　3.3 結構地震響應
　　根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[9]選取Ⅱ類場地、第二組、8度罕遇地震反應譜，通過反應譜生成一組人工地震波，如圖6。

　　3.3.1 響應分析
　　隨著建筑物高度增加，結構的加速度響應越強烈，選取頂層21號節點如圖5，原有結構與隔震結構在人工時程波作用下加速度響應如圖7，位移響應如圖8；首層是結構的薄弱層，首層層間位移響應如圖9。
　　由圖7、圖8、圖9可以得到：
　　（1）罕遇地震下，隔振結構加速度響應小于原有結構，約減少50%；表明罕遇地震下橡膠支座發揮了隔振的作用；
　　（2）隔振結構位移響應出現了位移偏移平衡軸的現象，出現此現象的原因可能是底部橡膠支座在地震作用下出現疲勞的原因，表明隔振支座的類型對結構隔振有較大的影響。
　　（3）采用隔振橡膠支座后結構頂層最大位移24.2mm遠大于普通結構7.6mm，表明隔振橡膠支座的存在使結構變柔，整體剛度削弱，在多遇地震（彈性分析）下結構響應是否表現出與罕遇地震類似的現象有待繼續研究。
　　（4）隔振結構比原有結構的位移響應要大，罕遇地震時隔振結構層間位移最大值約為原有結構的1/3，表明建筑物采用隔振處理后，在地震作用下由原來X方向的平動轉變為結構整體平動，上部結構可認為是一個質點，橡膠支座發揮了其變形、耗散地震能量的作用。但采用隔振設計的冷彎薄壁型鋼結構減震效率并不像采用隔振技術的混凝土結構有很高的性能。

　　3.3.2 墻體響應
　　選取底層1號墻體，其相應如圖10。
　　由圖10可以得到：普通結構首層墻體在8度罕遇地震下底層墻體已進入了塑形階段，而隔振結構依舊處于彈性階段。隔振結構的主體結構構件受力小于普通結構，這保證了結構的安全。
　　4 結 論
　　罕遇地震下，隔振結構加速度響應低于原有結構，體現了隔振設計的優勢；隔振結構的位移響應峰值大于原有結構，最大約放大4倍，橡膠支座的存在使結構整體剛度變弱；隔振結構由原來的X 向平動轉變為整體結構的平動，層間位移減小，整體性增強，提高了建筑的適用性。
　　參考文獻
　　[1] 蘇經宇,曾德民.我國建筑結構隔震技術的研究和應用[J],地震工程與工程震動，2001，21(4),94-101
　　[2] R.I.Skinner,W.H. Robinson,G.H.Mcvery.工程隔震概論[M],謝禮立等譯,北京:地震出社,1996,1-393.
　　[3] 姚勇.褚云朋.鄧勇軍.徐斌.郭小燕等.低層冷彎薄壁型鋼結構體系動靜性能數值模擬[J]. 建筑結構,2011，41(2):41-44.
　　[4] 沈祖炎,劉飛,李元齊, 高強超薄壁冷彎型鋼低層住宅抗震設計方法[J],建筑結構學報,2013,34(1),44-51
　　[5] Dan DUBINA.冷成型鋼框架房屋的抗震性能[J]. 建筑鋼結構進展,2007,9(1):1-17
　　[6] Eray Baran, Cagatay Alica, Behavior of cold-formed steel wall panels under monotonic horizontal loading[J], Journal of Constructional Steel Research,79 (2012) 1–8
　　[7] 黃智光,底層冷彎薄壁型鋼房屋抗震性能研究[D],西安建筑科技大學,2011
　　[8] 殷惠光,張躍峰, 低層冷彎薄壁型鋼建筑技術規程編制背景[J].工程建設與設計,2004(7) :24 -2
　　[9] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S]
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