劉 超， 張慧潔, 王靜峰, 王 燦, 張 榮

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來，基于環(huán)境友好和資源節(jié)約理念，國家電網(wǎng)公司積極推進裝配式變電站模塊化建設(shè)。其中安徽公司主要致力于自承重式墻體在變電站結(jié)構(gòu)中的應用研究，以鋼框架為骨架、以輕質(zhì)高強、節(jié)能環(huán)保、便于安裝的自承重式墻體為圍護體系構(gòu)建輕型裝配式的“兩型一化”變電站[1-3]。

這種自承重式墻體與鋼框架復合體系具有施工便捷、建設(shè)周期短、現(xiàn)場濕作業(yè)少、材料可以回收利用、整體性好等優(yōu)點。然而變電站跨度較大，梁端彎矩過大，自承重式墻體抵抗彎矩難以滿足承載力要求，目前鋼框架和自承重式墻體二者協(xié)同工作性能尚未可知，其抗震性能也缺乏研究，因此將這種體系應用于變電站中仍存在諸多局限性。

為研究自承重式墻體與鋼框架復合體系協(xié)同抗震性能，本文利用等代拉桿法對自承重式墻體進行了非線性簡化分析，同時利用SAP2000有限元分析軟件對此復合體系進行了彈性時程分析，研究該體系在7度多遇地震作用下的變形和應力變化規(guī)律。

1 體系介紹

1.1 門式剛架

作為一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，門式剛架輕型房屋具有受力簡單、傳力路徑明確、施工安裝便捷、構(gòu)件可實現(xiàn)工廠預制化等優(yōu)點，目前已廣泛應用于安徽省裝配式變電站。本文所研究的自承重式墻體與鋼框架復合體系中，門式剛架可采用等截面或者變截面實腹結(jié)構(gòu)，屋面采用輕型屋面，外墻為輕型外墻,如圖1所示。門式剛架主體由鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產(chǎn)，部件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝，施工過程不涉及動火作業(yè)和濕作業(yè)。各剛架構(gòu)件之間通過節(jié)點進行連接。

圖1 門式剛架輕型房屋簡圖

1.2 自承重式墻體

自承重式墻體是由冷彎薄壁型鋼骨架、輕聚合物填料(水泥基或石膏基)、鋼絲網(wǎng)片、面板等組成， 通過模具(平?；蛄⒛?在骨架內(nèi)填筑輕聚合物，然后在工廠內(nèi)適宜條件下養(yǎng)護完成，形成的一種新型預制“整體式”組合墻板，如圖2所示。這種自承重式墻體構(gòu)造簡單、施工方便、連接可靠，且內(nèi)部填充的輕聚合物保溫隔熱性能較好，能提高門窗縫隙的密封性，改善室內(nèi)環(huán)境，并可實現(xiàn)工廠預制化，進一步推動變電站結(jié)構(gòu)裝配化、綠色化和工業(yè)化。

圖2 自承重式墻體簡圖

2 自承重式墻體非線性簡化分析

2.1 基本假定

參考日本規(guī)范[4]，利用等代拉桿法將自承重式墻體等效為桿件體系，各個桿件之間相互鉸接，推導墻體抗側(cè)剛度時遵循以下基本假定：

(1)假定為立柱和豎龍骨與上下導軌鉸接；

(2)內(nèi)填輕聚合物等效為斜向的拉壓桿，等效拉壓剛度為EAG；

(3)頂部集中力P的作用下等效前側(cè)移與等效后側(cè)移相等；

(4)墻體頂部側(cè)移遠大于墻體構(gòu)件軸向變形，軸向變形忽略不計；

(5)等代拉壓桿的剛度EAG遠小于墻體各鋼構(gòu)件的剛度EA，根據(jù)此假定，忽略墻體其他鋼構(gòu)件的拉伸和壓縮變形引起的彎曲變形。

2.2 簡化模型

墻體試件高2 755 mm，寬3 000 mm，厚129 mm，上下導軌、立柱均采用規(guī)格為C89×41×11×0.9(腹板×翼緣×卷邊×截面，單位：mm)的冷彎薄壁C型鋼，輕質(zhì)填料為石膏基。遵循上述假定，建立自承重式墻體抗側(cè)剛度簡化計算模型，簡化模型如圖3所示。

圖3 自承重式墻體簡化計算模型

簡化后自承重式墻體的填料等代為斜桿，模型中各桿件之間連接均采用鉸接，立柱和豎龍骨下端單元節(jié)點采用剛接，約束6個自由度以模擬地梁和試驗中抗剪螺栓和抗拔件的約束作用，而立柱和豎龍骨上端只對立柱和導軌平面外平動自由度U2、轉(zhuǎn)動自由度R2進行約束，以保證墻體不發(fā)生平面外平動和轉(zhuǎn)動。

2.3 模型分析

2.3.1 骨架曲線對比

骨架曲線是每次循環(huán)加載達到的水平力最大峰值的軌跡，反映了構(gòu)件受力與變形的各個不同階段及特性。將試驗得到的墻體試件骨架曲線與有限元模擬得到的模型骨架曲線進行對比，如圖4所示。

圖4 試驗與模擬骨架曲線對比圖

從圖4可以看出：有限元模擬和試驗得到的骨架曲線基本吻合，基本能反映出試件的初始剛度和承載能力。

2.3.2 荷載和位移特征值對比

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ 101-2015)[5]相關(guān)條文規(guī)定，對墻體試驗和有限元模擬所得到的荷載和位移特征值進行計算，計算結(jié)果見表1。

表1 試件荷載和位移特征值與有限元結(jié)果對比

誤差=(有限元結(jié)果-試驗結(jié)果)÷試驗結(jié)果

通過表中數(shù)據(jù)可知，試驗與有限元的荷載特征值計算結(jié)果基本一致，誤差均在10%以內(nèi)；試件的位移特征值誤差在15%以內(nèi)，延性系數(shù)誤差在1%以內(nèi)。計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差較小，在一定程度上能反映試件的性能。

通過對組合墻體試件骨架曲線、荷載與位移特征值計算結(jié)果的對比分析，模擬曲線與試驗曲線較為吻合，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，可以發(fā)現(xiàn)等代拉桿簡化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準確性和精度，為后續(xù)自承重式墻體在彈塑性地震反應分析中的理論研究設(shè)計和研究提供了計算依據(jù)。

3 彈性時程分析

3.1 工程概況

以110 kV變電站為例，結(jié)合國網(wǎng)通用設(shè)計和現(xiàn)有案例，本變電站建筑面積在500 m2左右， 由于荷載較小，選擇質(zhì)量較輕、工業(yè)化程度較高、施工周期較短的結(jié)構(gòu)形式，采用輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，梁柱選用熱軋H型鋼，屋架和墻板龍骨選用冷彎薄壁C型鋼，其中柱距為8.5 m和6.1 m，跨度為11.0 m，并根據(jù)工藝要求設(shè)為單層單跨，平面布置如圖5所示。

圖5 平面布置圖

3.2 結(jié)構(gòu)模型

自承重式墻體與鋼框架復合體系結(jié)構(gòu)模型采用SAP2000有限元分析軟件建立有限元模型，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)計算模型

3.3 地震波選取

工程抗震設(shè)防烈度為7度，多遇地震，基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 地震影響系數(shù)曲線

采用時程分析法，參考《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[6]按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中選取不少于二組實際記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線作為輸入，根據(jù)以上規(guī)定選取15 s的地震波加載時間，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，且不小于15 s。選取的兩組天然波和一組人工波加速度時程曲線如圖8所示。

圖8 三組地震波加速度時程曲線

3.4 計算結(jié)果與分析

3.4.1 節(jié)點位移

結(jié)構(gòu)節(jié)點位移能夠在一定程度上反映桿件的受力是否合理。結(jié)構(gòu)剛度越大，位移越小。反之，結(jié)構(gòu)柔度越大，位移越小，當超過國家規(guī)范規(guī)定的標準時，就難以滿足正常使用要求。提取在三組地震波作用下的鋼梁跨中、鋼柱柱柱頂、屋架弦桿、墻體龍骨等部分節(jié)點水平最大位移，整體結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下的變形云圖和X向、Y向最大水平位移如圖9和表2所示。

圖9 整體結(jié)構(gòu)變形云圖

表2 特征節(jié)點水平最大位移

由表2可知：

(1)參考《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)[6]相關(guān)規(guī)定，單層門式剛架柱頂位移值不應大于h/60，選取的三組柱頂節(jié)點在三組地震波作用下X向水平位移平均值最大值為6.41 mm，Y向水平位移最大值為3.91 mm，均小于h/60=4 700/60≈78.33 mm，滿足規(guī)范要求。

(2)參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017-2017)[7]和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)[6]相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)的鋼梁撓度容許值取跨度的1/400，屋架撓度容許值取跨度的1/250，屋面檁條撓度允許值取跨度的1/200，墻板水平撓度容許值取跨度的1/100。經(jīng)過驗算可得：7.65/11 000=0.000 699<1/400，7.41/11 000=0.000 673<1/250，3.73/11 000=0.000 0339<1/100，由此可見，在7度多遇地震作用下，該結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

3.4.2 桿件應力

物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為應力。應力過大可能會導致構(gòu)件開裂等問題，降低結(jié)構(gòu)強度和使用壽命，應力過小可能會造成材料浪費等問題，因此應當綜合考慮，在保證使用安全、可靠、發(fā)揮其功能的條件下保證應力大小合適。提取三組地震波作用下鋼柱、鋼梁、屋架弦桿和墻體龍骨等桿件的應力，結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下的應力數(shù)據(jù)見表3。

表3 特征桿件應力

參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017-2017)[7]相關(guān)規(guī)定，桿件的最大應力值不應大于鋼材的強度設(shè)計值。上表中選取的特征桿件中鋼梁鋼柱采用Q235鋼材，屋架弦桿和墻體龍骨采用G550冷彎薄壁C型鋼。鋼梁鋼柱中最大壓應力為43.30 MPa，小于Q235鋼材強度設(shè)計值215 MPa，屋架弦桿和墻體龍骨中最大壓應力為29.32 MPa，小于G550冷彎薄壁C型鋼強度設(shè)計值460 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)在7度多遇地震作用下的應力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié) 論

本文對自承重式墻體進行了非線性簡化分析，并對自承重式墻體和鋼框架復合體系在7度多遇地震作用下進行了彈性時程分析，得到下列結(jié)論：

(1)等代拉桿簡化模型能夠較好地模擬自承重式墻體，有較高的準確性和精度，為后續(xù)自承重式墻體在彈塑性地震反應分析中的理論研究設(shè)計和研究提供了計算依據(jù)。

(2)在7度多遇地震作用下，本文研究的自承重式墻體與鋼框架復合體系的變形和應力均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

(3)本文的研究結(jié)論可為變電站加快裝配式模塊化建設(shè)、完善裝配式建筑配套技術(shù)提供科學依據(jù)。