维护板对轻钢框架结构体系抗震性能影响分析

杨国栋

(山西中条山工程设计研究有限公司铜城设计院，山西垣曲 043700)

0 引言

近年来多层轻钢框架结构应用越来越广泛，它具有工业化程度高、施工周期短、重量轻、造价易控制、施工不受季节限制等优点，同时因其取材对环境影响小，有利于社会资源的保护和材料的回收再利用，被誉为“可持续发展的生态建筑体系”［1］。但是结构中的维护板仅被作为围护结构，设计中往往忽视其对轻钢框架的作用，没有考虑其参与轻钢框架抗震的作用。实践证明，若连接可靠，维护板能与轻钢框架结构体系共同工作，并提高轻钢框架结构的整体刚度和强度。考虑维护板对轻钢框架结构抗侧能力的贡献可以使轻钢框架结构设计更加符合实际的受力状态，同时也能降低造价，节约成本［2］。因此，分析和研究水平荷载作用下维护板与轻钢框架结构的耦合作用具有重要的理论价值，并可以指导工程设计实践。

1 有限元计算模型

1.1 轻钢框架原型结构设计

本文设计的轻钢原型结构为一轻钢结构住宅，共6层，层高3 m，建筑总高度18 m，基本柱网15 m×24 m，结构横向三跨，跨度分别为6 m，3 m，6 m，共15 m，纵向柱距6 m，4个柱距，共24 m。维护板布置在结构的跨中。结构的平面、三维立体图如图1所示。恒荷载gk=17 kN/m，活荷载qk=8 kN/m，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.35 s。输入的地震波分别采用Elcentro波、Taft波和兰州波。

图1 结构的平面、三维立体图

1.2 材料特性

本章基础模型结构的梁、柱均采用H型钢，截面尺寸分别为400 mm×300 mm×10 mm×16 mm和350 mm×250 mm×9 mm×14 mm，钢材型号为 Q235，弹性模量 E=2.06×105MPa，钢材的各项材性数据见表1。楼板采用混凝土结构，厚100 mm，标号为C20，维护板采用轻质混凝土板。

表1 结构的前十阶自振周期 s

2 模态分析

所谓模态分析就是通过计算结构的振型及其对应的自振周期来确定结构动力特性的一种分析方法。作为结构的一种固有特性，结构的振型和自振周期是反映结构动力特性的重要参数之一，它们能够反映在动力荷载作用下结构的动态位移响应、加速度响应和速度响应，是进行结构动力分析的基础。

本结构模态的求解采用Ritz向量分析方法。Ritz向量法考虑了动力荷载的空间分布，可以为后面时程分析提供更精确的振型依据。采用SAP2000软件首先对结构进行了模态分析，从而得到了纯轻钢框架结构和带维护板钢框架结构的前十阶振型及其对应的自振周期。

由表1可知，本例中纯轻钢框架结构的第一自振周期为1.480 014 s，反映了纯轻钢框架结构的整体刚度小的特点。带维护板钢框架结构的第一自振周期为1.328 461 s，要略小于纯轻钢框架结构，而且带维护板的钢框架结构的每一阶自振周期均略小于纯轻钢框架结构的，说明维护板的刚度对轻钢框架结构的抗侧能力是有利的，使得结构的整体刚度有所增加。

3 时程分析

结构的地震反应的时程分析方法是一种动力计算方法，用地震地面加速度时程作为输入，计算得到结构随时间变化的地震反应。时程分析方法既考虑了地震动的振幅、频率和持续时间三要素，又考虑了结构的动力特性，能比较真实的描述结构地震反应的全过程［3］。时程分析的目的是对纯轻钢框架结构和带维护板的钢框架结构在地震作用下的响应进行比较分析，比较两种结构的抗震性能。

本文选择Ⅱ类场地土的地震记录Elcentro波、Taft波和兰州波，对结构进行地震作用下的时程分析。

3.1 加速度时程分析

通过软件计算可以得到两种结构分别在三种地震波作用下的顶点加速度时程比较曲线，如图2所示。由图2可知，Elcentro波作用下纯轻钢框架结构和带维护板钢框架结构顶层的最大加速度值分别为984.6 cm/s2，677.5 cm/s2;Taft波作用下纯轻钢框架结构和带维护板钢框架结构顶层的最大加速度值分别为629.7 cm/s2，402.2 cm/s2;兰州波作用下纯轻钢框架结构和带维护板钢框架结构顶层的最大加速度值分别为887.7 cm/s2，628.8 cm/s2。由此可以看出，在三种地震波作用下，纯轻钢框架结构的水平地震响应加速度峰值要比带维护板钢框架均有所增大，这是由于维护板对结构抗侧能力的贡献，使得纯轻钢框架结构的抗侧能力较小。

图2 三种地震波作用下结构顶点加速度时程比较曲线

3.2 位移时程分析

表2给出了三种不同多遇地震地震波作用下两类结构的地震响应层间位移的最大值，从表2可以看出，在Elcentro波作用下，纯轻钢框架结构的第一层层间位移最大值为0.122 69 mm，第二层为0.104 17 mm，第三层为0.082 13 mm，符合轻钢框架结构在水平荷载作用下层间侧移沿高度方向逐渐减小的变形规律;在Taft波和兰州波作用下，计算所得的纯轻钢框架结构层间位移最大值也符合轻钢框架结构在水平荷载作用下层间侧移沿高度方向逐渐减小的变形规律;在Elcentro波、Taft波和兰州波作用下，计算所得的带维护板钢框架结构层间位移最大值均符合轻钢框架结构在水平荷载作用下层间侧移沿高度方向逐渐减小的变形规律，但层间位移的最大值比相应的纯轻钢框架结构要小。表3给出了三种不同多遇地震地震波作用下两类结构的地震响应位移的最大值。从表3可以看出，在Elcentro波作用下，纯轻钢框架结构的第一层层间位移最大值为 0.122 69 mm，第二层为0.226 86 mm，第三层为0.308 99 mm，符合轻钢框架结构在水平荷载作用下剪切型的变形曲线;在Taft波和兰州波作用下，计算所得的纯轻钢框架结构层间位移最大值也符合轻钢框架结构在水平荷载作用下剪切型的变形曲线;在Elcentro波、Taft波和兰州波作用下，计算所得的带维护板钢框架结构层间位移最大值均符合轻钢框架结构在水平荷载作用下剪切型的变形曲线，但响应位移的最大值比相应的纯轻钢框架结构要小。综上，可以看出在多遇地震地震波作用下，带维护板钢框架的位移和层间位移均要小于纯钢框架结构。这是由于维护板对结构抗侧刚度的贡献，使得带维护板钢框架的抗侧刚度较大。

表2 地震响应层间位移最大值 mm

表3 地震响应位移最大值 mm

4 结语

1)带维护板轻钢框架结构的自振周期较纯轻钢框架结构的要略小些，这是由于维护板的刚度对轻钢框架结构的抗侧能力是有利的，使得结构的整体刚度有所增加。

2)与纯轻钢框架结构相比，在三种不同地震波作用下带维护板轻钢框架结构的顶点最大加速度、位移最大值和层间位移最大值均要略小些，这说明在多遇地震作用下维护板由于平面内具有一定的刚度，能够耗散一部分地震能量，这对轻钢结构的抗震性能是有利的，设计计算时应予以考虑。

3)在罕遇地震作用下，维护板的刚度就可以忽略不计，但是维护板会作为抗震设防的第一道防线，首当其冲，以自身的破坏来耗散地震中产生的能量，这对轻钢结构的抗震设计也是有利的。因此，在设计中应充分合理的考虑维护板的影响，才能使轻钢框架的抗震设计更加合理。

［1］史三元，穆金花.SPSW对钢框架结构体系抗震性能影响分析［J］.河北工程大学学报(自然科学版)，2011，28(4):6-9.

［2］李小娟，史三元，李慧芳.填充墙对钢框架结构体系抗震性能影响分析［J］.四川建材，2012，38(2):50-51.

［3］方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.