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收稿日期2 0 1 1 0 7 1 6 基金项目 陕西省科技攻关计划项目(2 0 1 2 K 0 9 0 7) ; 陕西省科学技术研究发展计划项目(2 0 0 7 K 0 4 1 5) 作者简介 杨富社(1 9 6 3 ) , 男, 陕西乾县人, 副教授, 工学博士研究生,E m a i lF u s h e y a n g @c h d . e d u . c n。 第3 2卷 第4期 2 0 1 2年7月 长安大学学报( 自然科学版) J o u r n a lo fC h a n g a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n) V o l . 3 2 N o . 4 J u l . 2 0 1 2 文章编号1 6 7 1 8 8 7 9(2 0 1 2)0 4 0 0 5 5 0 6 基于地震响应时程的多层轻钢结构特性 杨富社1 ,2, 徐春龙1, 王晋国1 (1.长安大学 理学院, 陕西 西安7 1 0 0 6 4;2.长安大学 公路学院, 陕西 西安7 1 0 0 6 4) 摘 要 通过对轻钢结构的地震响应特征进行研究, 采用有限元方法对轻钢结构模型进行非线性地 震响应分析, 研究顶层位移和其他各层位移的变化, 比较6 0, 1 0 0,1 2 0,1 6 0mm几种不同厚度楼板 的地震波响应, 得到计算模型的应变、 应力关系。研究结果表明 不同厚度楼板对相同的地震波有 不同的地震响应, 当楼板厚度为1 2 0mm和1 6 0mm时, 对地震波产生的响应最为强烈; 多层轻钢 结构具有很好的剪切变形; 在多层结构设计时, 应该根据具体要求定性分析和定量计算楼板厚度对 抗震性能的影响。 关键词 结构工程; 多层轻钢结构; 地震响应; 结构特性; 时程曲线 中图分类号TU 3 9 2 文献标志码A 犛 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犪 犾 狆 狉 狅 狆 犲 狉 狋 狔狅 犳犿 狌 犾 狋 犻 犾 犪 狔 犲 狉 犾 犻 犵 犺 狋 狑 犲 犻 犵 犺 狋 狊 狋 犲 犲 犾 犫 犪 狊 犲 犱狅 狀狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮狉 犲 狊 狆 狅 狀 狊 犲 狋 犻 犿 犲犺 犻 狊 狋 狅 狉 狔 YANGF u s h e 1,2, XUC h u n l o n g 1,WANGJ i n g u o1 (1. S c h o o l o fS c i e n c e,C h a n g a nU n i v e r s i t y,X i a n7 1 0 0 6 4,S h a a n x i,C h i n a; 2. S c h o o l o fH i g h w a y,C h a n g a nU n i v e r s i t y,X i a n7 1 0 0 6 4,S h a a n x i ,C h i n a) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋T h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h es e i s m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f l i g h ts t e e ls t r u c t u r e, t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z e t h en o n l i n e a rs e i s m i c r e s p o n s eo f l i g h t s t e e l s t r u c t u r em o d e l . T h ec h a n g eo ft o pd i s p l a c e m e n ta n do t h e re a c hl a y e rd i s p l a c e m e n tw e r ec o m p a r e d, a n dt h es t r a i na n ds t r e s sr e l a t i o no f t h ec o m p u t a t i o nm o d e lw a so b t a i n e db yt h es e i s m i cw a v er e s p o n s e a n a l y s i s o f s e v e r a l d i f f e r e n t t h i c k n e s s f l o o r sw h i c hw e r e 6 0mm,1 0 0mm,1 2 0mma n d1 6 0mm. T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sf l o o r sh a v ed i f f e r e n ts e i s m i cr e s p o n s e st ot h e s a m es e i s m i cw a v e s . T h er e s p o n s e t os e i s m i cw a v e s i sm o s ts t r o n g l yw h e nt h ef l o o r t h i c k n e s s i s 1 2 0mmo r1 6 0mm.T h em u l t i s t o r e yl i g h ts t e e ls t r u c t u r eh a sg o o ds h e a rd e f o r m a t i o n,s ot h e q u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o ns h o u l db eu s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h e t h i c k n e s so f f l o o r s t ot h es e i s m i cp e r f o r m a n c e . 2 3f i g s,1 4r e f s . 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g;m u l t i l a y e r l i g h t w e i g h t s t r u c t u r e;s e i s m i c r e s p o n s e;s t r u c t u r a lp r o p e r t y;t i m eh i s t o r yc u r v e 0 引 言 作为“ 绿色建筑体系” 的多层轻钢结构是未来民 用建筑的发展趋势, 与其他材料的房屋相比较, 具有 强度高、 自重轻; 构件截面积小, 有效空间大; 材料均 匀, 塑性、 韧性好, 抗震性能好; 并具有制造简单, 施 工周期短; 节能、 环保5个方面的特点。多层轻钢结 构作为一种新型建筑材料, 在国外发达国家的民用 建筑方面已被广泛的应用, 而且已开始逐步取代非 绿色建筑材料, 成为民用住宅建筑材料的主体。在 日本新建1~4层民用建筑大都采用钢结构, 占房屋 建筑结构的5 0%。在英国新建的非居住类房屋建 筑中, 9 0%的单层和6 0%的多层建筑都采用轻钢结 构。2 0 0 0年在美国近乎有2 0万栋的轻钢结构建 筑, 占住宅建筑总数的2 0%。中国从2 0世纪9 0年 代开始, 在北京、 上海等地建设多层轻钢结构办公 楼、 住宅楼, 近几年才开始大规模研究、 开发、 设计制 造、 施工安装多层轻钢结构住宅。低层、 多层和高层 钢结构住宅试点工程已在北京、 上海、 天津、 山东莱 芜等城市展开。目前, 中国对多层轻钢结构的性能 及设计方法还缺乏研究, 尤其对轻钢结构的抗震性 能研究还很不完善。为此, 本文对多层轻钢结构抗 震性能进行研究, 为轻钢结构的应用和设计提供理 论和实际应用指导[ 1 1 2]。 1 研究模型 以5层纯框架结构为研究对象, 就房屋建筑使 用功能、 安装条件和造价等多种因素的综合考虑, 柱网的横向与纵向尺寸分别取为7. 5m+6. 8m与 7. 5m。现浇钢筋混凝土楼板如图1所示。选择基 本风压为0. 4 5k N/m 2, 荷载为0. 3 0k N /m 2, 地面粗 糙度 取 为B类, 选 取7度 抗 震 设 防 烈 度, 选 择 Q 3 4 5 B热扎H型钢材材料, 使用E 5 0系列焊条。 图1 框架结构平面 F i g . 1 P l a no f f r a m es t r u c t u r e 2 研究方法 本文应用瞬态动力分析方法, 计算承受载荷随 时间变化的多层轻钢结构的动力学响应。即探讨多 层轻钢结构在静载荷、 瞬态载荷和简谐载荷的不同 组合作用下, 结构的位移、 应变、 应力随时间变化的 曲线。采用完全法计算得到瞬态载荷位移时程变 化曲线。 地震波的类型, 根据“ 中国天津1 9 7 6地震竖向 记录” 来获取计算的初始数据, 波的时长为5s, 时间 取样为0. 0 1s, 场地类型为Ⅲ类 , 记录信号为竖向 加速度随时间的变化规律。从记录中每隔0. 0 1s 取一个值, 共取5 0个采样点, 作为初始数据, 输入计 算程序进行计算。 依据国家地震局的烈度标准, 基本烈度为7度、 8度、9度时地面振动的水平加速度犪最大值分别为 0. 1 2 5、0. 2 5 0、0. 5 0 0m/s 2。由于实际地震记录的水 平加速度的最大值为0. 7 5 56m/s 2, 因此, 对实际地 震波记录的峰值, 按比例折算成所需的基本烈度进 行处理。在犡、犣方向分别输入地震波, 得到犡、犣 方向的时间历程曲线, 如图2所示。 图2 折算后的波形 F i g . 2 W a v es h a p ea f t e rc o n v e r s i o n 3 不同厚度楼板的多层轻钢结构对地 震波的响应 3. 1 不同厚度楼板模型顶层位移时程曲线 对不同厚度楼板在犡、 犣方向分别输入地震波, 经计算得到犡、 犣方向的顶层位移时程曲线, 下页图 3~图1 0为6 0mm 到1 6 0mm厚度的楼板时间历 程曲线。由图3~图1 0可知, 多层轻钢结构顶层时 程曲线的形状不同, 这是由于不同厚度楼板的结构 具有不同固有的动力特性, 结构的动力特性和地震 波相互作用产生的时程曲线, 正是结构对地震波响 应的结果。鉴于结构的动力特性不同, 对相同的地 震波的响应也不相同。根据上面的时间历程曲线计 算结果表明 厚度为1 0 0mm和1 2 0mm的楼板对 地震波的响应时间相对较长, 产生较大的位移, 具有 相对较短的响应时间, 则位移较小。 厚度为1 2 0mm和1 6 0mm的楼板对地震波响 应产生的位移最大, 如下页图1 1、 图1 2所示, 说明 这两种结构的固有特性与输入的地震波在某个时段 最为接近。厚度为1 2 0mm和楼板模型的一阶固有 频率为4. 8 2 2H z, 1 6 0mm楼板模型的一阶固有频 率为4. 2 6 5H z。地震波的能量频率谱如下页图1 3 所示。从图1 2可以很清楚地看出, 有2个位置的能 量具有峰值, 这说明结构与地震波发生了共振, 所以 导致位移出现了突变。 65 长安大学学报( 自然科学版) 2 0 1 2年 图3 板厚6 0mm时犡方向位移 F i g . 3 D i s p l a c e m e n t i n犡d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s6 0mm 图4 板厚6 0mm时犣方向位移 F i g . 4 D i s p l a c e m e n t i n犣d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s6 0mm 图5 板厚1 0 0mm时犡方向位移 F i g . 5 D i s p l a c e m e n t i n犡d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 0 0mm 3. 2 不同厚度楼板模型各层位移的时程曲线 分别对不同厚度楼板的计算模型在犡、 犣方向 输入地震波, 得到犡、犣方向的各层位移的时程曲 线。下页图1 4~图2 1表示6 0mm到1 6 0mm不同 图6 板厚1 0 0mm时犣方向位移 F i g . 6 D i s p l a c e m e n t i n犣d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 0 0mm 图7 板厚1 2 0mm时犡方向位移 F i g . 7 D i s p l a c e m e n t i n犡d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 2 0mm 图8 板厚1 2 0mm时犣方向位移 F i g . 8 D i s p l a c e m e n t i n犣d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 2 0mm 厚度的几种楼板的时间历程曲线。对这些时间历程 曲线的分析可知, 其他各层的时程曲线与顶层楼板 的时程曲线从形状上看基本相同, 这是因为输入的 75 第4期 杨富社, 等 基于地震响应时程的多层轻钢结构特性 图9 板厚1 6 0mm时犡方向位移 F i g . 9 D i s p l a c e m e n t i n犡d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 6 0mm 图1 0 板厚1 6 0mm时犣方向位移 F i g . 1 0 D i s p l a c e m e n t i n犣d i r e c t i o nw h e nt h e s l a bt h i c k n e s s i s1 6 0mm 图1 1 随楼板厚度变化顶层犡方向的最大位移 F i g . 1 1 M a x i m u md i s p l a c e m e n to f t h e t o pf l o o r i n犡d i r e c t i o nw i t ht h i c k n e s sc h a n g i n g 地震激励属性相同, 由于楼板厚度不同, 系统的受力 大小不同, 它们振动产生的位移的大小就不同。 1 2 0mm和1 6 0mm厚度的楼板结构对地震波 响应产生的位移最大, 如下页图2 2、 图2 3所示; 并 且与其他厚度楼板的结构对地震波的响应产生的位 移相差也相对较大。从而可以得出结论 不同厚度 的楼板对相同的地震输入有不同的响应。即在设计 图1 2 随楼板厚度变化顶层犣方向的最大位移 F i g . 1 2 M a x i m u md i s p l a c e m e n to f t h e t o pf l o o r i n犣d i r e c t i o nw i t ht h i c k n e s sc h a n g i n g 图1 3 地震波的能量频率谱 F i g . 1 3 S e i s m i cw a v ee n e r g y f r e q u e n c ys p e c t r u m 图1 4 板厚6 0mm时犡方向各层位移 F i g . 1 4 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犡d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s6 0mm 多层轻钢结构时, 应该根据具体要求考虑楼板厚度 变化对结构抗震性能的影响。同时, 经分析也可以 看到多层轻钢结构呈现很好的剪切变形, 表明其具 有良好的整体性。 4 结 语 ( 1) 多层轻钢结构对地震波的影响随楼板的厚 度的变化而变化, 当楼板厚度为1 0 0、 1 2 0、2 0 0mm 85 长安大学学报( 自然科学版) 2 0 1 2年 图1 5 板厚6 0mm时犣方向各层位移 F i g . 1 5 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犣d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s6 0mm 图1 6 板厚1 0 0mm时犡方向各层位移 F i g . 1 6 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犡d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 0 0mm 图1 7 板厚1 0 0mm时犣方向各层位移 F i g . 1 7 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犣d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 0 0mm 时, 从对地震波的响应来看, 楼板将产生较大位移而 且持续时间相对较长; 厚度为1 2 0mm和1 6 0mm 的楼板对地震波产生的响应最强烈, 因为这2种结 构具有的固有频率与地震波在某个时段的频率最为 接近, 产生共振造成的结果。因此, 对于不同厚度楼 图1 8 板厚1 2 0mm时犡方向各层位移 F i g . 1 8 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犡d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 2 0mm 图1 9 板厚1 2 0mm时犣方向各层位移 F i g . 1 9 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犣d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 2 0mm 图2 0 板厚1 6 0mm时犡方向各层位移 F i g . 2 0 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犡d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 6 0mm 板的轻钢结构而言, 地震波对楼板位移的影响不仅 与楼板厚度相关, 而且还与结构的整体动力特性相关。 95 第4期 杨富社, 等 基于地震响应时程的多层轻钢结构特性 图2 1 板厚1 6 0mm时犣方向各层位移 F i g . 2 1 D i s p l a c e m e n to f e v e r yf l o o r i n犣d i r e c t i o n w h e nt h es l a bt h i c k n e s s i s1 6 0mm 图2 2 不同楼板厚度的楼层犡向最大位移 F i g . 2 2 M a x i m u md i s p l a c e m e n t i n犡d i r e c t i o no f t h e f l o o rw i t ht h i c k n e s sc h a n g i n g 图2 3 不同楼板厚度的楼层犣向最大位移 F i g . 2 3 M a x i m u md i s p l a c e m e n t i n犣d i r e c t i o no f t h e f l o o rw i t ht h i c k n e s sc h a n g i n g ( 2) 通过对同一个结构的不同楼层振动的时程 曲线分析, 发现顶层的时程曲线形状与其他楼层的 时程曲线的形状基本相似, 仅仅是位移的大小不相 同而已; 不同楼层对地震响应的最大位移随不同楼 板厚度结构而变化, 且与地震波的激励相关。 参考文献 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 [1] 孙永振.轻钢结构的市场应用前景分析及动力特性研 究[D].西安 西安理工大学, 2 0 0 2. 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