集束装配式结构民居抗震性能分析.pdf

第 15 卷第 4 期南阳理工学院学报Vol.15 No.42 0 2 3 年 7 月JOURNAL OF NANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2023作者简介:王艳艳(1993-),女,硕士生,主要研究方向:BIM 应用技术,装配式建筑。集束装配式结构民居抗震性能分析王艳艳1,张 铟2,孙玉周1(1.中原工学院建筑工程学院 河南 郑州 450007;2.河南工程学院土木工程学院 河南 郑州 451191)摘 要:集束装配式结构民居是新一代绿色节能生态的装配式钢结构低层建筑产品。为研究其抗震性能,以某民居为例,利用 ANSYS 有限元软件对集束装配结构体系进行了模态分析,研究了该结构在 3 种地震波中的地震时程响应。结果表明,集束装配式结构民居具有良好的抗震性能。关键词:集束装配式;民居;抗震性能中图分类号:TU352.11 文献标识码:A 文章编号:1674-5132(2023)04-0089-08DOI:10.16827/ki.41-1404/z.2023.04.0180 引言 近日,农业农村部、住房和城乡建设部联合发布关于开展美丽宜居村庄创建示范工作的通知,提出“十四五”时期在全国打造不同类型、不同特点的宜居宜业和美乡村示范样板,以推动乡村振兴,其中新型宜居农房建设是关键一环。为了提供更加安全的、低成本的、安装建造快的房子1,天丰绿色装配集团历经十多年研究推出了装配式钢结构低层建筑产品 集束绿色节能生态房屋,采用的“集束钢构框架+轻钢龙骨墙体”建筑体系是现代工业化和传统建筑理念的高度融合2。本文以采用该结构体系的民居为例,对其抗震性能进行了分析研究。1 工程概况 该民居项目位于河南省郑州市的某农村地区,主体采用集束冷弯薄壁型钢框架,墙体采用轻钢龙骨墙体,厚度为 200 mm,屋顶采用玻纤瓦屋面,该民居建筑面积 236.2 m2,占地面积 126 m2,建筑层数为两层,层高 3.4 m,建筑耐火等级二级,抗震设防类别丙类,抗震设防烈度 7 度,雪荷载 0.35 kN/m2,风荷载 0.4 kN/m2,主体正常维护下设计使用年限50 年。建筑平面图如图 1 所示。图 1 首层平面图南阳理工学院学报第 15 卷2 集束装配式结构体系抗震性能数值分析2.1 有限元模型的建立2.1.1 模型设计参数及单元选取 采用 ANSYS 有限元分析软件对该钢结构进行分析,本项目柱与梁均为集束 G 型钢截面,其中实腹组合梁、组合立柱,屋架桁架梁上下弦,均采用BEAM4 单元;桁架梁腹杆、屋架腹杆、柱间支撑为LINK8 单元。各结构截面型钢为冷弯薄壁型钢,根据冷湾薄壁型钢结构技术规范GB500183-5,计算了各自截面在受压、受弯不利情况下的有效截面作为设计截面,截面尺寸如表 1 所示;立柱底部与基础刚接。楼板厚度采用 SHELL181 单元建模,泊松比为 0.2,密度与厚度按各工况设置,楼板混凝土弹性模量设置为 3.0105 MPa。表 1 构件截面参数 构件截面/mmAe/m2Wey/m9Iy/mWez/m9Iz/mCN/CP 立柱-14MG906020154.03.85e-31.49e-40.0601.19e-40.044BS 实腹梁-12BG2506420152.01.59e-31.08e-40.0952.31e-50.029BS 实腹梁-22BG2506420154.03.31e-32.36e-40.0944.35e-50.029RT 屋架上弦-12MG1505020101.55.82e-43.02e-40.0622.36e-50.046RT 屋架下弦-12MG1505020101.55.82e-43.02e-40.0622.36e-50.046RT 屋架腹杆-12BG906020152.09.12e-42.61e-40.0362.00e-50.0372.1.2 网格划分及边界条件 网格的划分采用结构化方法,使得到的单元保持规整,在保证计算准确率的前提下,选择合理化的网格密度6。该结构体系采用固定连接来处理与地面相接的节点。横梁和纵梁连接情况为刚性连接模拟实际工程中的螺栓连接,楼板沿横向铺设。墙体采用轻钢结构,楼板采用现浇板。结构模型如图2 所示。图 2 有限元模型2.2 模态分析2.2.1 自振周期和频率 根 据 建 筑 抗 震 设 计 规 范(GB50011-2010)7,振型分解反应谱法分析,取地震作用下重力代表系数组合为 1.0D+0.5L,进行模态分析,并取前 12 阶振型来研究集束装配式钢结构的振动特点。结构 12 阶的自振频率如表 2 所示。由表 2 可知,结构的自振周期随着振型阶数的增大而逐渐减小。表 2 模型的固有频率 模态固有频率/Hz自振周期/s1 阶1.250.802 阶1.290.773 阶1.890.534 阶1.920.525 阶1.960.516 阶2.170.467 阶2.680.378 阶2.740.379 阶2.760.3610 阶2.870.3511 阶2.960.3412 阶3.120.322.2.2 结构自振 振型在形状上,如实反映结构在该频率下的振动形态。地震作用大小和地面加速度大小成正比,周期越长加速度越小,地震作用也越小,振型越高,周期越短,地震作用越大。但由于地震反应是各振型的迭代,高振型的参与系数小,特别是对规则的建筑物,因此,一般忽略高振型的影响8-10。结构前12 阶振型如图 3 所示。从图 3 中可以清晰地看出一阶振型时顶层的变形情况,顶层 z 方向上的最大位移为发生在靠外侧顶板的外檐中段上,而两侧位移方向不同向。二阶振型与一阶振型位移情况相似,最大位移仍处于顶09 第 4 期王艳艳等:集束装配式结构民居抗震性能分析板外缘处,但两侧位移方向相同。从前 12 阶振型可以看出结构最大位移均发生在屋面板处,框架梁、框架柱、梁柱节点处位移均较小。19南阳理工学院学报第 15 卷图 3 集束装配式钢框架前 12 阶模态2.3 地震时程响应分析2.3.1 地震波选取本文采用 3 种波来模拟其对结构的地震作用。3 种波分别是 ElCentro 波、Tar 地震波和唐山-北京饭店波,如图 4 所示。2.3.2 非线性动力时程分析 (1)时程位移分析 通过施加 ElCentro 波、Tar 地震波和唐山-北京饭店波进行地震时程分析,在顶层和二层选择特征点观察,提取时程分析结果时,选取顶层位移和层间位移角最大值作为集束装配式钢结构地震动反应指标,计算得到结构的位移时程曲线如图 5 所示。由图 5 可以看出,结构在 3 种波作用下,顶层位移显著大于二层位移。不同的波对位移影响无明显规律,这也说明了地震波对结构的随机性。29 第 4 期王艳艳等:集束装配式结构民居抗震性能分析图 4 3 种地震波加速度时程曲线39南阳理工学院学报第 15 卷图 5 3 种地震波下的位移时程曲线图 由表 3 可知,ElCentro 波作用下,结构最大位移出现在顶层,为 187 mm,最大层间位移为 32 mm;TAR 波作用下,结构最大位移在顶层,为217 mm,最大层间位移为 24.5 mm;唐山波作用下结构最大位移出现在顶层,为 205 mm,最大层间位移为 22 mm。可以看出,结构整体变形不大,顶层位移大于二层位移。由于集束装配式钢结构自重较轻,地震作用下基础底部的剪力也较小,故层间位移亦较小,如该结构在 ElCentro 波地震动作用下,最大层间位移角/h 为 1/106;TAR 波震动作用下,最大层间位移角为 1/139;唐山波地震动作用下,最大层间位移角1/155。我国 建筑抗震 设 计 规 范(GB50011-2010)7规定多、高层钢结构弹塑性层间位移角限值为 1/50。集束装配式钢结构模型的动力响应远远小于以上限值,说明集束装配式钢结构地震作用效应和位移响应较小,具有良好的抗震性能。表 3 3 种波时程分析结果 ElCentro 波 Tar 地震波唐山-北京饭店波顶层位移/mm187217205/H1/361/311/33最大层间位移/mm3224.522最大层间位移角/h1/1061/1391/155图 6 3 种地震波作用下板单元应力云图49 第 4 期王艳艳等:集束装配式结构民居抗震性能分析图 7 3 种地震波作用下梁柱应力图图 8 3 种地震波作用下的框架变形图 (2)应力云图分析 通过 ANSYS 计算得出各地震动作用下板应力分布云图(如图6),ElCentro 波作用下,3.3 s 时屋面板局部应力最大为 231 Mpa;TAR 波作用下在 1.9 s59南阳理工学院学报第 15 卷时最大板单元应力为 225 MPa;唐山波作用下在4.3 s 时最大板单元应力为 198 Mpa。从图 6 中可以看出板的最大应力均处于屋面板外挑檐口的局部,在顶层部分混凝土板也处于塑性状态,二楼楼板仍处于弹性阶段。计算得到各地震动作用下梁柱的应力分布云图如图 7 所示,ElCentro 波作用下,12.2 s 时梁柱框架局部应力最大为 52.8 MPa;TAR 波作用下在 9.1 s时梁柱最大应力为 51.3 MPa;唐山波作用下在14.6 s 时梁柱最大应力为 54.2 Mpa。从图 7 中可以看出梁柱的最大应力均处于屋面梁,且整个结构体系的梁柱均处于弹性阶段。从 3 种地震波的位移时程曲线、应力分布云图和输出的位移图(图 8)可以看出,该工程薄弱之处均在屋面板,屋面板的局部区域进入塑性区域,其余部分均处于弹性阶段,由于该结构屋面板采用钢筋混凝土楼板,自重大,地震作用下响应也随之增大,从而使得结构进入局部塑性状态,而装配式梁柱框架结构重量轻,地震作用下响应也随之减小,构件处于弹性状态。说明该结构满足“强节点弱构件”的抗震设计原则。同时也可以看出该集束装配式钢结构设计安全储备较高,建议该结构体系屋面板采用轻钢结构,减少自重,以减少地震作用效应。3 结语 根据以上分析,集束装配式钢结构模型的动力响应远远小于抗震规范中的限值,且集束装配式钢结构地震作用效应和位移响应较小;依据应力云图和位移图,得出该结构体系分别在 3 种地震波作用下,仍处于弹性阶段,表明该结构体系具有良好的抗震性能,适合作为抗震防灾的民居。参 考 文 献1 王秀丽.装配式轻型低矮钢结构房屋的研究现状及发展趋势探究J.门窗,2017,11(12):218.2 郑天心.集束智能装配建筑体系介绍与研发方向C/钢结构与绿色建筑技术应用.北京:中国建筑工业出版社,2019:206-213.3 湖北省发展计划委员会.GB500182002 冷弯薄壁型钢结构技术规范S.北京:中国计划出版社,2003.4 乔治哈姆斯.冷弯成型技术手册M.北京:化学工业出版社,2009.5 曲鹏远,刘永娟,孙长江,等.冷弯薄壁型钢的应用与研究现况J.中国建筑金属结构,2008,8(12):39-42.6 王青,徐港.ANSYS 梁单元的理论基础及其选用方法J.三峡大学学报(自然科学版),2005,27(4):336-340.7 中国建筑科学研究院.GB500112010 建筑抗震设计规范 S.北京:中国建筑工业出版社,2016.8 魏利金.建筑结构设计常遇问题及对策M.北京:中国电力出版社,2009.9 相阳,罗永峰,黄青隆.装配式钢结构抗震性能研究进展J.建筑钢结构进展,2019,21(3):1-12.10 唐天国,宋军凯,廖强,等.装配式钢结构自耗能节点元件抗震性能研究J.建筑结构,2022,52(S2):759-763.(责任编辑:丁 雪)SEISMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF RESIDENTIAL HOUSES WITH CLUSTER ASSEMBLY STRUCTURES WANG Yan-yan1,ZHANG Yin2,SUN Yu-zhou1 (1.College of Architectural Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.College of Civil Engineering,Henan University of Engineering,Zhengzhou 451191,China)Abstract:The cluster-assembled structural dwelling is a new generation of green,energy-saving and ecological assembled steel low-rise building product launched by Tianfeng Green Assembly Group.In order to study its seismic performance,the modal analysis of the cluster-assembled structural system was carried out in this paper using ANSYS finite element software,and the seismic time response of the structure in three kinds of seismic waves was investigated.The results show that the residential house of the cluster-assembled structure has good seismic performance.Key words:cluster assembly;residential housing;seismic performance69