不同填充墙钢框架结构地震作用下的非线性分析

李 科，马霄航（南阳师范学院土木建筑工程学院，河南南阳473061）

不同填充墙钢框架结构地震作用下的非线性分析

李 科，马霄航
（南阳师范学院土木建筑工程学院，河南南阳473061）

摘要：一钢框架结构分别以普通砌块和泡沫混凝土为填充墙材料，据此建立有限元模型来研究其对结构抗震性能的影响。根据数据分析，砌块填充墙和泡沫混凝土填充墙对结构的动力特性有不同程度的影响，结构的位移反应也有不同的表现。

关键词：钢框架；抗震性能；动力特性；位移反应

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.016

钢结构住宅以其建设速度快、建筑形式灵活等优点在建筑市场发展迅速。钢结构住宅的推广应用很大程度上会受到与其配套的墙体材料的限制。钢结构内填填充墙后，结构的各项性能如结构的抗侧力、抗震性能等都会有所改变，墙体作为钢结构住宅的围护构件，其自身及连接节点也应该具有较好的抗震性能，此外，墙体对整个结构的刚度贡献明显，会影响结构的抗震性能。

泡沫混凝土轻质墙板具有隔热性能好、轻质高强的特点，可以将它作为钢结构住宅的一种墙体材料来用。本文以此种材料为研究对象，设计有限元模型，对比分析其与传统墙体材料在抗震性能上的表现。

1有限元模型

本文利用SAP2000有限元分析软件对结构进行建模，共建立三个模型，分别为：纯钢框架结构、砌体填充墙钢框架结构、泡沫混凝土钢框架结构，具体模型如图1。

图1　结构有限元模型

设计该框架结构层高3.0m，未设计地下室，横向共有三跨15m，边跨6.0m，中间跨3.0m，纵向设计8跨，柱间距6.0m，共计36m.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100mm，混凝土强度等级C30，填充墙采用轻质混凝土砌块，抗压强度6.0MPa，轻质泡沫混凝土4.0 MPa，楼面恒载取2.5KN/ 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

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0.35g，设计基本地震加速度0.20g。

2结构动力特性

根据软件所建立的有限元模型，模拟结构在地震中的表现，从而得到纯钢框架结构、砌块填充墙钢框架结构、泡沫混凝土钢框架结构的自振周期、自振频率和振型，进行动力分析。

根据表1的数据来看，在受到地震影响时，未设置隔墙的纯钢框架结构的自振周期相对较大，采用传统加气混凝土砌块制成的填充墙钢框架结构自振周期有明显的下降，而采用新型泡沫混凝土制成的填充墙钢框架结构自振周期介于两者之间。由此可见，由于填充墙的存在，结构的刚度会有所提高，传统的加气混凝土砌块填充墙由于自重大、强度相对较高，对结构的刚度提升比较明显，采用新型泡沫混凝土制作的填充墙自重较小、强度较低，对结构的刚度提升有限。

表2　结构自振周期

3位移反应

为了得到结构在多遇地震作用下的非线性时程分析结果，本文选取II类场地土的地震波——兰州波，从结构的底部进行X、Y两个不同的方进行输入，其中X、Y两个方向的加速度峰值的输入比例为1：0.85。由于在X方向的变化值比较小，所以只列出了Y向的时程分析结果（见图2）。

图2　结构在多遇地震作用下Y向的顶点位移时程曲线

在建立模型时，墙板与结构之间采用无刚性连接，结合图2以及相关计算数据分析，可以看出，在多遇地震作用下，考虑到填充墙对结构的刚度贡献，不同形式的钢框架结构的顶点位移会有明显的不同，其中由于纯框架结构刚度较小，在地震作用下，顶点位移较大，而砌块混过凝土填充墙结构和泡沫混凝土填充墙结构的布置增大了结构的刚度，在地震作用下结构的位移有很大程度的降低。

4层间位移角

根据软件SAP2000所建立的有限元模型，在输入兰州波时所得到的有限元动力时程分析结果，可以得到各层层间位移与层高之比δ/ h，具体结果见表3。

根据GB50011-2010抗震设计规范中对于多高层钢结构在地震作用下的层间位移角的具体限制要求，其中规定在小震作用下结构的层间位移角不得超过1/250，从上表的结果来看，以上三种结构形式都是满足此项规定的。由于纯钢框架结构刚度较小，层间位移角较大，但是设置填充墙以后，结构的刚度产生了变化，层间位移角明显变小。

表3　各层层间位移与层高之比δ h

5结论

通过在钢框架结构设置不同材料制作的填充墙，并根据所得到的分析数据进行总结，我们可以得到以下结论：

1.通过对比分析结构自振周期可以看出，结构中布置的填充墙提高了结构的刚度，从而影响到了结构的自振周期。纯钢框架结构刚度较小，自振周期较大，采用砌块混凝土填充墙的钢框架结构刚度大，自振周期较小，由轻型泡沫混凝土作为填充墙的钢框架结构刚度适中，自振周期介于两者之间。

2.根据时程分析结果来看，在多遇地震下，由于填充墙提高了结构的刚度，带填充墙的钢框架结构的顶点位移有所降低，结构的层间位移角也都在规范的要求范围之内。

由此可以看出，钢结构建筑中采用轻型泡沫混凝土作为填充墙，具有较好的抗震性能，再加上泡沫混凝土自身优势，可以在钢结构领域得到较好的应用。

参考文献：

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（责任编辑：周小露）

中图分类号：TU352.1

文献标志码：A

文章编号：1673-2928（2016）04-0052-03

收稿日期：2015-10-22

基金项目：南阳师范学院青年项目（15026）；南阳师范学院课程建设项目；高等学校重点科研项目（16B560006）。

作者简介：李科（1983-），男，河南南阳人，讲师，硕士，主要从事工程事故分析与处理研究工作。

Nonlinear analysis of steel frame structures under seismic action

LI Ke，MA Xiaohang
（School of Civil Engineering and Architecture，Nanyang Normal University，Nanyang 473061，China）

Abstract:A steel frame structures were ordinary blocks and foam concrete wall is filled with material，thus the finite element model to study its impact on the seismic performance of structures.According to the data analysis，and foam concrete block filler wall infilled with varying degrees of impact on the dynamic characteristics of the structure，the displacement response of the structure is also different performance.

Key words:steel frame；seismic performance；dynamic characteristics；displacement reaction