采用泡沫混凝土填充墙的钢框架结构抗震性能分析

李　科，马宵航

(南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳　473061)



采用泡沫混凝土填充墙的钢框架结构抗震性能分析

李科，马宵航

(南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳473061)

摘要：一钢框架结构，采用泡沫混凝土作为结构的墙体材料，利用有限元软件来分析其抗震性能。通过有限元模拟，分析了结构在地震作用下的动力特性、位移变化、基底剪力，结构的抗震性能表现较好。

关键词：钢框架；抗震性能；动力特性；基底剪力

钢结构房屋现在已成为住宅市场的一支新生力量，其具有单位体积承载力高、生产安装方便、施工周期短、抗震性能好的特点，是人与自然和谐可持续发展的“绿色产业”。但影响结构住宅推广应用的一个关键问题就是与其配套的墙体材料的选用[1-2]。

泡沫混凝土砌块具有轻质高强、耐水防潮、隔音隔热、居住舒适等特点，是利废节能建材新产品，泡沫混凝土砌块的生产成本价比普通混凝土砌块相同甚至更低。因此由它作为墙体具有很好的应用前景。本文就以此作为钢框架结构的填充墙材料，来分析钢框架结构的抗震性能。

1模型的建立

设计该框架结构层高3.0 m,未设计地下室，横向共有三跨15 m，边跨6.0 m,中间跨3.0 m，纵向设计6跨，柱间距6.0 m,共计36 m。钢框架结构中梁柱采用Q345的钢材制作，楼板采用现浇混凝土板，厚度100 mm，混凝土强度等级C30，填充墙采用轻质泡沫混凝土4.0 MPa，楼面恒载取2.5 kN/m2，楼面可变荷载取2.0 kN/m2，所用钢材尺寸、墙体厚度见表1。

表1　结构构件尺寸　mm

某地区抗震设防烈度为8度，建筑场地类别为II类，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.35 t，设计基本地震加速度0.20g。

根据以上资料，本文利用SAP2000有限元分析软件对结构进行建模，具体模型见图1所示。

图1　有限元模型

2结构动力特性

根据软件所建立的有限元模型，首先对结构进行模态分析，获得了结构的自振周期、自振频率(表2)和振型[3-6]。

表2　结构自振周期和自振频率

根据所得到的自振周期、自振频率以及结构前四振型，可以看出，以泡沫混凝土作为钢框架结构的填充墙体，结构的自振周期并不是很大，自振频率也较低，表明结构的动力特性表现较好。从所得到的结构前四振型来看，结构的前两振型主要表现为平动，第三振型之后开始出现扭转(图2)。

图2　结构的前四振型

3水平地震作用下结构的时程分析

在进行有限元分析时，把结构看成是一个弹性或者弹塑性体系[7-8]，在结构模型中输入地震波——兰州波，经软件分析得出结构相关的时程曲线，从而分析结构随时间变化在地震作用下的表现。

3.1基底剪力时程分析

根据SAP2000软件的有限元动力时程分析，可以得到结构在地震波下基底剪力时程曲线[7-8](图3、图4)。

图3　结构在多遇地震作用下X向的基底剪力时程曲线

图4　结构在多遇地震作用下Y向基底剪力时程曲线

根据所得到的基底剪力时程曲线可以看出，在多遇地震作用下，结构在x向最大基底剪力为627 kN，Y向最大基底剪力为641 kN，而且基底剪力的的峰值主要集中出现在地震作用的前期，如果在设计中可以合理控制填充墙的数量及位置，可以有效控制基底剪力峰值出现的时间和增幅的大小。

3.2结构的层间位移角

根据结构的时程分析结果，可以得到结构的各层层间位移及各层层间位移与层高之比，结构最大层间位移角为1/867。按照文献[9]对于多高层钢结构在地震作用下的层间位移角所做的规定，在小震作用下结构的层间位移角不得超过1/250[10-11]，由此可见结构的变形是符合规范要求的。

4结论

(1) 钢框架结构采用泡沫混凝土作为结构的墙体材料之后，结构的动力特性表现较好，有利于结构发挥较好的耗能能力。

(2) 根据时程分析结果，结构的基底剪力峰值主要出现在地震前期，峰值不大，同时在后期设计中可以调整填充墙的位置、数量，来进一步降低基底剪力峰值。

(3) 在地震作用中，结构的变形在规范的要求范围之内。

(4) 泡沫混凝土具有较好的抗震能力，可以代替传统建筑材料作为钢框架结构的墙体材料，泡沫混凝土在建筑领域有着很好的发展前景。

〔参考文献〕

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[10]黄群贤,郭子雄,朱雁茹，等.混凝土空心砌块填充墙RC框架抗震性能试验研究[J]．建筑结构学报，2012，33(2):110-118．

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收稿日期：2016-02-26；修改日期：2016-03-29

基金项目：南阳师范学院青年项目(15026)；河南省高等学校重点科研项目(16B560006)

作者简介：李科(1983- )，男，河南南阳人，硕士，南阳师范学院讲师．

中图分类号：TU528.2；TU972.8

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0196-02