采用隔振技术冷弯薄壁型钢结构弹塑性时程分析

高红伟 姚 勇 褚云鹏
　　（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）
　　摘 要：结合某冷弯薄壁型钢结构，对采用隔振橡胶支座与原有结构进行弹塑性时程分析，将两种结构加速度响应、位移响应、层间位移响应对比分析。结果表明：进行弹塑性分析时，隔振结构加速度响应小于原有结构，最大约减少50%；隔震结构的位移响应大于原有结构位移响应；隔振结构整体性强，结构主要受力构件小于原有结构，层间位移响应较小。
　　关键词：冷弯薄壁型钢；隔振技术；加速度响应；位移响应

　　0 前 言
　　20世纪60年代以来，新西兰、日本、美国等多地震的国家对隔震系统投人相当多的人力物力，开展了深入系统的理论、试验研究，取得了卓有成效的成果[1]。隔震技术的本质作用就是使结构和(或)构件与可能引起破坏的地震地面运动分离开来。这种分离或解耦是通过增加系统的柔性和提供适当的阻尼来实现的[2]。1993年，中国建筑科学研究院在新疆独子山建造一栋采用聚四氟乙烯板和钢阻尼并联的五层砖混结构，标志着我国隔振技术进入了新的阶段。
　　冷弯薄壁型钢结构住宅应用于新农村建设及牧区沙漠等缺乏建筑材料地区具有较强优势[3]。2008年“汶川地震”后凭借其可快速为灾后人民提供居住场所被人所熟知。冷弯薄壁型钢属于轻钢结构，本身就具有较好的抗震性能，科研人员对冷弯薄壁型钢结构已做了大量的实验与理论研究[4]~[6]。但冷弯薄壁型钢结构采用隔振技术很少有人研究。
　　文中结合某三层冷弯薄壁型钢结构体系，对采用隔振技术和普通结构形式两种结构进行分析，探究其在地震下加速度、位移等抗震性能是否有很大改善，并综合评价隔振后结构的效应，最后给出了一定的评价。
　　1.模型的验证
　　1.1 实验试件
　　文献[7]进行了冷弯薄壁型钢墙体实验与整体实验。实验试件为10片1:1双面覆板（OSB板+石膏板），立柱及斜撑杆均为C型钢，型号为C9010，上下导轨及刚性横撑为冷弯槽钢，导轨型号为P9016，橫撑型号P9010.石膏板厚度为10mm，宽×高为1.2m×3m；OSB板厚度为12mm，宽×高为1.22m×2.4m。自攻螺钉连接，钢构件截面形式尺寸如图1和表1。

　　选取文献[7]中部分实实验试件与数据进行验证模拟，试件分类、编号及加载方式如表2。
　　1.3 实验与计算结果对比
　　本文参考文献[4]实验数据，运用SAP2000中Pivot模型进行墙体分析，各试件实验所得到的荷载-位移曲线与计算得到的荷载-位移如图2。
　　由荷载位移曲线可得墙体的骨架曲线。WSC-1、WDO-1实验与模拟如图3。
　　实验结果与计算结果得到的荷载-位移曲线与骨架曲线基本一致，表明计算方法能很好的模拟墙体的强度退化、刚度退化和捏缩效应。计算得到的骨架曲线与实验得到墙体的骨架曲线吻合较好，可做更进一步研究。

　　2.三层冷弯薄壁型钢整体房屋
　　整体模型平面尺寸设计为5.1m×5.1m，设两个开间，模型平面图为4，层高3m 共三层，立面图与荷载参见文献[7]。运用上述墙体模型建立三层冷弯薄壁型钢整体房屋。得到结构的前3阶频率及质量参与系数如图5，与文献[7]对比如表3。

　　结构前3阶模态分别对应y 方向整体平动、x方向整体平动和整体的扭转，满足一般规定。该建筑物高度为9m。根据日本、美国对低层冷弯薄壁型钢结构住宅自振周期计算公式[8]

　　计算得到周期为T=0.27s和T=0.26s，由T=1/f得模型第一周期为0.25s，验证了模型的合理性，为后续分析奠定了基础。
　　3 隔振结构与原有结构地震响应
　　3.1 隔振模型的建立
　　隔振结构有限元模型是在原有结构底部添加隔振支座，隔振支座采用橡胶支座，上部结构不变。橡胶支座参数如表4。

　　3.2 结构动力特性对比
　　计算隔振结构房屋的自振频率和振型，如表5。
　　由表5可以看出，隔振结构自振频率小，约为普通结构的0.5倍，表明隔振橡胶支座的存在使得结构柔性增加，结构周期有较大的增大。
　　3.3 结构地震响应
　　根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[9]选取Ⅱ类场地、第二组、8度罕遇地震反应谱，通过反应谱生成一组人工地震波，如图6。

　　3.3.1 响应分析
　　随着建筑物高度增加，结构的加速度响应越强烈，选取顶层21号节点如图5，原有结构与隔震结构在人工时程波作用下加速度响应如图7，位移响应如图8；首层是结构的薄弱层，首层层间位移响应如图9。
　　由图7、图8、图9可以得到：
　　（1）罕遇地震下，隔振结构加速度响应小于原有结构，约减少50%；表明罕遇地震下橡胶支座发挥了隔振的作用；
　　（2）隔振结构位移响应出现了位移偏移平衡轴的现象，出现此现象的原因可能是底部橡胶支座在地震作用下出现疲劳的原因，表明隔振支座的类型对结构隔振有较大的影响。
　　（3）采用隔振橡胶支座后结构顶层最大位移24.2mm远大于普通结构7.6mm，表明隔振橡胶支座的存在使结构变柔，整体刚度削弱，在多遇地震（弹性分析）下结构响应是否表现出与罕遇地震类似的现象有待继续研究。
　　（4）隔振结构比原有结构的位移响应要大，罕遇地震时隔振结构层间位移最大值约为原有结构的1/3，表明建筑物采用隔振处理后，在地震作用下由原来X方向的平动转变为结构整体平动，上部结构可认为是一个质点，橡胶支座发挥了其变形、耗散地震能量的作用。但采用隔振设计的冷弯薄壁型钢结构减震效率并不像采用隔振技术的混凝土结构有很高的性能。

　　3.3.2 墙体响应
　　选取底层1号墙体，其相应如图10。
　　由图10可以得到：普通结构首层墙体在8度罕遇地震下底层墙体已进入了塑形阶段，而隔振结构依旧处于弹性阶段。隔振结构的主体结构构件受力小于普通结构，这保证了结构的安全。
　　4 结 论
　　罕遇地震下，隔振结构加速度响应低于原有结构，体现了隔振设计的优势；隔振结构的位移响应峰值大于原有结构，最大约放大4倍，橡胶支座的存在使结构整体刚度变弱；隔振结构由原来的X 向平动转变为整体结构的平动，层间位移减小，整体性增强，提高了建筑的适用性。
　　参考文献
　　[1] 苏经宇,曾德民.我国建筑结构隔震技术的研究和应用[J],地震工程与工程震动，2001，21(4),94-101
　　[2] R.I.Skinner,W.H. Robinson,G.H.Mcvery.工程隔震概论[M],谢礼立等译,北京:地震出社,1996,1-393.
　　[3] 姚勇.褚云朋.邓勇军.徐斌.郭小燕等.低层冷弯薄壁型钢结构体系动静性能数值模拟[J]. 建筑结构,2011，41(2):41-44.
　　[4] 沈祖炎,刘飞,李元齐, 高强超薄壁冷弯型钢低层住宅抗震设计方法[J],建筑结构学报,2013,34(1),44-51
　　[5] Dan DUBINA.冷成型钢框架房屋的抗震性能[J]. 建筑钢结构进展,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] 黄智光,底层冷弯薄壁型钢房屋抗震性能研究[D],西安建筑科技大学,2011
　　[8] 殷惠光,张跃峰, 低层冷弯薄壁型钢建筑技术规程编制背景[J].工程建设与设计,2004(7) :24 -2
　　[9] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S]
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