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轻钢住宅结构体系动力特性探究摘 要：通过轻钢结构的动力特性的研究，为今后轻钢住宅的结构设计提供参考。运用ANSYS有限元计算软件对多层（6层）和小高层（10层）国家标准AAA级住宅进行建模分析，在模型设计中分别采用纯框架结构、框架-支撑结构和框架-核心筒结构，通过模态分析、8度区多遇地震下的反应谱分析和8度区多遇、罕遇地震下的时程分析，得到三种结构体系的自振周期、各层质心位移、层间位移角、多遇和罕遇地震下节点位移时程曲线，经过比较分析，总结三种结构形式的动力特性。分析结果表明，纯框架结构适用于低多层和中低烈度的轻钢住宅。 关键词：轻钢住宅；框架结构；框架-支撑结构；框架-核心筒结构；动力特性 中图分类号：TU392.5文献标识码：A文章编号：1672-1098(2012)01-0029-06 收稿日期：2011-11-26 作者简介：刘菁华(1987-)，女，江苏南通人，在读硕士，研究方向：轻钢结构抗震性能研究。 轻钢结构一般指承受相对较小的外加荷载，采用较小的构件截面尺寸，结构自重较轻的钢结构。它是以经济型材构件，包括冷弯薄壁型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢、焊接或无缝钢管及其组合构件作为结构的承重骨架，以压型钢板及其组合板材、PC板、ALC板及稻草板等质量轻、保温防火隔热性能好、防水效果佳的轻质材料作为围护结构的一种新型建筑结构体系［1］。 相对于传统建筑，轻钢结构具有安全可靠、节能环保、建筑表现力强、经济适用等优势，有广阔的市场前景。轻钢住宅的结构体系主要有：纯钢框架体系，钢框架-支撑体系，钢框架-剪力墙体系，交错桁架体系，钢框架-核心筒体系等［2］。目前，轻钢框架结构多用于低层，对它在静力荷载下的受力和变形性能以及抗震性能已有了一定的研究［3-6］。据统计，多层住宅占城镇住宅总数的80％，随着城市用地的紧张，小高层住宅在市场中占的比重也越来越大，所以对多层和小高层轻钢住宅动力特性的研究具有重要的理论和现实意义。本文运用有限元软件ANSYS分别对多层(6层)和小高层(10层)的纯框架结构、框架-支撑结构和框架-核心筒结构的动力性能进行比较分析，为今后轻钢住宅的结构设计提供了参考。 1 计算模型 根据文献［7］的评定方法，在AAA级住宅套型(三室两厅两卫)的基础上稍作修改，使模型更规则，更利于梁柱的布置(见图1)。轴线长23m，宽10.2m，结构层高2.8m，楼面恒载取3.5kN/m2，楼面活载取2.0kN/m2，屋面恒、活载取0.5kN/m2，现浇钢筋混凝土楼板，墙体为ALC板。基本风压取0.45kN/m2，地面粗糙程度为B类，8度近震，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，结构在多遇地震下的阻尼比取3.5%，罕遇地震下的阻尼比取5%。梁柱刚接，框架柱和基础刚接。框架柱采用方钢管，钢梁采用热轧H型钢。 图1 住宅结构平面图6层结构模型的梁、柱钢材型号为Q235，随着楼层的增加，竖向荷载增大，梁、柱构件的截面和强度都需加大，所以10层结构模型的梁、柱构件需使用Q345号钢材。6层和10层纯框架体系、框架-支撑体系、框架-混凝土筒体体系。 3 计算方法和计算结果比较 在建模过程中，模型的梁、柱采用Beam188单元，楼板采用Shell63单元，支撑采用Link10单元，框架-支撑结构分别在山墙、分户墙和楼梯间处布置交叉支撑，6层框架-核心筒结构的筒体布置在楼梯间处。小高层住宅需要增设电梯，所以10层框架-核心筒结构的筒体布置在楼梯间和电梯井处。建模完成后，运用ANSYS有限元软件对结构分别进行模态分析、反应谱分析和时程分析。 3.1 模态分析 模态分析用来确定结构的固有频率和振型，本文所用的模态方法为子空间迭代法，即假设结构一定数目的特征向量N，通过迭代修正求出结构的近似前N阶向量，这个N维空间就是结构真实空间的子空间。将ANSYS模态分析算得的三种结构的自振频率换算成自振周期。 10层轻钢结构的自振周期明显大于6层轻钢结构，纯框架结构的整体刚度小，自振周期偏长， 框架-核心筒结构的整体刚度最大，自振周期最短，而框架-支撑结构的自振周期位于两者之间。 由于纯框架结构的横向刚度较低，整个结构没有形成较好的抗扭能力， 所以扭转出现在第二振型。 框架-支撑结构在横向布置的支撑较多，结构的横向刚度和抗扭刚度较框架结构都有了提高， 所以扭转退到了第三振型。 10层框架-核心筒结构的扭转出现在第二振型， 这与筒体布置的位置有关， 因此在设计上还需改进。 总的来说，模态分析可以初步判断模型建立的准确性和有效性，也可以清楚地观察出三种结构的基本振型状况。 3.2 反应谱分析 在模态分析的基础上接着进行谱分析， 它是一种将模态分析结果与一个已知的谱联系起来