可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋試驗(yàn)研究及有限元分析*（建筑）
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可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋試驗(yàn)研究及有限元分析*（建筑）
張錚1，2 蔡雪峰1，2 連夢(mèng)儀3 陳建良4 馬永超1
（1．福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福州350118；2．福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350118：3．福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350116；4．福建鑫晟新型建材有限責(zé)任公司，福建漳州363999）
摘要：對(duì)兩層可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平風(fēng)荷載作用下進(jìn)行靜力測(cè)試及有限元分析，考察該類結(jié)構(gòu)的受力和變形性能以及節(jié)點(diǎn)連接的作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，輕質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋整體抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)顯著，而節(jié)點(diǎn)構(gòu)造導(dǎo)致的鋼框間連接處錯(cuò)動(dòng)將大大增加房屋結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移。對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬和分析，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
關(guān)鍵詞：可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋；靜力試驗(yàn)；風(fēng)荷載；輕質(zhì)復(fù)合墻體；有限元方法
DOI:IO. 13206/j.gjg201605005
可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋是由若干個(gè)獨(dú)立的鋼框組裝而成的一種裝配整體式建筑，配套的圍護(hù)結(jié)構(gòu)更多地開始采用環(huán)保節(jié)能的輕質(zhì)復(fù)合墻體。此類結(jié)構(gòu)的鋼框之間采用專用連接件進(jìn)行連接，便于拆裝。可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋具有移動(dòng)快捷、構(gòu)造簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、對(duì)基礎(chǔ)要求低、標(biāo)準(zhǔn)化（工業(yè)化）程度高、便于裝配（集成）化等特點(diǎn)，因而可廣泛應(yīng)用于旅游度假、工程建設(shè)、監(jiān)測(cè)救災(zāi)等領(lǐng)域。
目前國內(nèi)外針對(duì)可移動(dòng)房屋受力性能的研究集中在混凝土盒子結(jié)構(gòu)及集裝箱房屋，且均為理論分析而缺乏試驗(yàn)研究。同時(shí)，國內(nèi)尚沒有針對(duì)可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)移作用的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋和輕質(zhì)復(fù)合墻體材料的快速發(fā)展，相關(guān)研究的匱乏在一定程度上制約了其推廣應(yīng)用。
為探究可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的力學(xué)性能和作用機(jī)理，本文開展可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋在水平風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)整體分析，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，考察水平荷載作用下墻面板以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能和整體剛度的影響，并提出有限元分析方法，為可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
1試驗(yàn)簡(jiǎn)介
鑒于可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋目前仍屬于一種新型結(jié)構(gòu)體系，本文基于足尺寸房屋結(jié)構(gòu)開展靜力試驗(yàn)。房屋上下兩個(gè)鋼框由柱、梁、檁條、集裝箱角件等組成，并通過集裝箱扭鎖來連接，房屋結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。鋼框所采用的柱和梁為薄壁鋼管，檁條為冷成型槽鋼，尺寸見圖2，節(jié)點(diǎn)連接及連接件見圖3。
課題組前期進(jìn)行了未安裝墻體的兩層可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其抗側(cè)剛度明顯不足；此外，由角件和扭鎖構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造導(dǎo)致上、下鋼框之間發(fā)生豎向位移和水平滑動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)水平側(cè)移顯著增加。
在此基礎(chǔ)上，開展了安裝輕質(zhì)復(fù)合墻體后兩層可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的靜力測(cè)試，墻體安裝情況見圖4。
試驗(yàn)過程中采用4級(jí)加載，對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓分別為0.3，0.7，1.0，1.6 k N／m2，通過兩個(gè)千斤頂進(jìn)行施加，見圖1。
為了掌握結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等情況，在受力和變形的關(guān)鍵位置布置測(cè)點(diǎn)。位移傳感器的布置見圖5a，鋼組件上的應(yīng)變式傳感器布置見圖5b，墻體上的應(yīng)變式傳感器布置見圖5c。
2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析
在加載過程中對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)沿荷載作用方向發(fā)生傾斜，上框柱頂?shù)奈灰谱畲�；在加載一側(cè)，結(jié)構(gòu)底座與下框之間以及下框與上框之間出現(xiàn)豎向位移，這與未安裝墻體時(shí)的測(cè)試一樣。隨著荷載的不斷增大，鋼組件本身均未出現(xiàn)明顯的變形，且墻體始終與鋼框骨架保持良好的連接，始終未發(fā)生脫離和破壞，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的受力狀態(tài)。各級(jí)基本風(fēng)壓下的結(jié)構(gòu)側(cè)移值見表1，鋼框間豎向位移值見表2，鋼框間水平滑動(dòng)值見表3。
由表1和表2可知，在水平荷載較小時(shí)，隨著水平荷載逐漸增加，結(jié)構(gòu)各部位的側(cè)移值以及鋼框間的豎向位移值緩慢增大；當(dāng)水平荷載超過0.7 k N/m2時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移值及鋼框間豎向位移值出現(xiàn)驟增，之后又趨于平穩(wěn)地增加。表3所示的鋼框問水平滑動(dòng)也出現(xiàn)在水平荷載超過0.7 k N／m2時(shí)，為摩擦力被克服后瞬間發(fā)生。通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，鋼框間的錯(cuò)動(dòng)（包括豎向位移和水平滑動(dòng)）是由于采用扭鎖連接的角件內(nèi)部和扭鎖本身存在一定縫隙導(dǎo)致的。
綜合以上分析可知，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移隨荷載的增加而增加，并受鋼框間節(jié)點(diǎn)連接處錯(cuò)動(dòng)的影響。當(dāng)水平荷載較小時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移隨荷載平穩(wěn)增加；當(dāng)水平荷載克服結(jié)構(gòu)自重和節(jié)點(diǎn)處的連接摩擦后，鋼框間節(jié)點(diǎn)連接處開始出現(xiàn)豎向位移和水平滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)側(cè)移出現(xiàn)驟增現(xiàn)象；當(dāng)鋼框間節(jié)點(diǎn)連接處的豎向位移和水平滑動(dòng)趨于穩(wěn)定后，結(jié)構(gòu)側(cè)移隨荷載繼續(xù)保持原來的增長(zhǎng)速率平穩(wěn)增加。
為了考察圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的影響，對(duì)在基本風(fēng)壓為0.7 k N／m2的水平荷載作用下安裝墻體與未安裝墻體鋼組件的最大應(yīng)力、鋼框?qū)娱g側(cè)移和結(jié)構(gòu)總體側(cè)移以及鋼框間的豎向位移分別進(jìn)行對(duì)比，見表4。
從表4可以看出，安裝墻體與未安裝墻體在水平荷載作用下的受力性能存在顯著的差別。與未安裝墻體時(shí)相比，安裝墻體后的鋼框梁的最大應(yīng)力降低了96. 8%，鋼框柱的最大應(yīng)力降低了96. 3%，鋼框?qū)娱g側(cè)移降低了89.8%，結(jié)構(gòu)總體側(cè)移降低了92. 6%，上框和下框之間的豎向位移值降低了98. 4%，底座和下框之間的豎向位移值降低了88. 9%。這說明由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，房屋的整體抗側(cè)剛度較純鋼框時(shí)大大提高，結(jié)構(gòu)的承載能力也明顯增強(qiáng)；同時(shí)，由于房屋自重的增大，鋼框間的豎向位移出現(xiàn)得更晚，豎向位移值也大幅減小，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力更為有利。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)房屋承載力和抗側(cè)剛度的有利作用，從而可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)約材料、合理降低造價(jià)的目的。
將結(jié)構(gòu)側(cè)移實(shí)測(cè)結(jié)果與GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的限值（層間h/400和總體H/500；h為層高，H為結(jié)構(gòu)整體高度）進(jìn)行比較，在基本風(fēng)壓為0.7 k N／m2和1.6 k N/m2的荷載水平下，結(jié)構(gòu)層間側(cè)移分別為/z/1352和h/161，總體側(cè)移分別為H/1545和H/178�？梢园l(fā)現(xiàn)，0.7 k N／m2時(shí)結(jié)構(gòu)側(cè)移可以較容易地滿足要求；但1.6 k N／m2時(shí)，受水平荷載克服結(jié)構(gòu)自重和節(jié)點(diǎn)連接處摩擦力后鋼框間節(jié)點(diǎn)連接處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)側(cè)移不再滿足要求。
此外，在基本風(fēng)壓為0.7 k N/m2和1.6 k N/m2作用下的鋼組件和墻體實(shí)測(cè)應(yīng)力值均比較小，鋼組件最大應(yīng)力值僅分別為3.2 M Pa和16.6 M Pa，墻體最大應(yīng)力值僅分別為2.7 M Pa和9.1 M Pa。這說明可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋鋼框組件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，不容易發(fā)生強(qiáng)度破壞，進(jìn)一步說明房屋結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備。在工程實(shí)際中，可以著重從改善結(jié)構(gòu)的剛度人手，提高該類房屋結(jié)構(gòu)的材料利用率。
3 有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較
在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步采用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋在水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析。鋼框組件均采用Beam188單元，節(jié)點(diǎn)連接采用Link 10單元，輕質(zhì)復(fù)合墻體采用Shell 63單元。
試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)材料遠(yuǎn)沒有達(dá)到屈服，因此可按理想彈塑性材料考慮，廠家提供了有關(guān)的材性數(shù)據(jù)。鋼框組件采用的鋼材為Q235，屈服強(qiáng)度為235 M Pa，彈性模量為2.06 G Pa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。輕質(zhì)復(fù)合墻面板厚60 mm，彈性模量為300 M Pa，泊松比為0.2，密度為550 kg/m3。
根據(jù)可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的實(shí)際尺寸創(chuàng)建有限元模型，在建立時(shí)采用直接建立有限元模型的方法。鋼框組件在節(jié)點(diǎn)處的連接均設(shè)為固接，檁條兩端則為鉸接，墻體與鋼框組件間設(shè)置了自由度耦合。在對(duì)模型進(jìn)行荷載施加時(shí)，為了驗(yàn)證模型建立的準(zhǔn)確性，施加與試驗(yàn)時(shí)相同的水平集中力，并將得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
有限元模型及水平荷載施加示意如圖6所示，水平荷載相當(dāng)于0.7 k N／m2風(fēng)壓作用下。分析得到的房屋結(jié)構(gòu)x方向位移云圖如圖7所示，有限元模擬所得的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的比較如表5所示。
由圖7可以看出：房屋結(jié)構(gòu)沿荷載作用方向發(fā)生了一定的傾斜，并且最大水平位移發(fā)生在上框頂部，與試驗(yàn)結(jié)果一致。由表5可知，因模擬時(shí)未考慮下框與底座間錯(cuò)動(dòng)，使得計(jì)算值比試驗(yàn)值略小，但誤差較小且均在工程計(jì)算精度允許范圍內(nèi)，說明了房屋結(jié)構(gòu)有限元模型和分析方法的正確性。
4 結(jié)束語 ，
本文對(duì)水平荷載作用下兩層可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗側(cè)移性能進(jìn)行了試驗(yàn)考察及有限元模擬，得到以下結(jié)論：
1)在水平荷載作用下可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)房屋具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備，但由于影響結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的因素較多，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮此結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度問題。
2)由試驗(yàn)結(jié)果可知，輕質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的承載能力和抗側(cè)剛度具有較大的貢獻(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這一有利因素。
3)節(jié)點(diǎn)連接若采用集裝箱角件和扭鎖，當(dāng)水平荷載足以克服結(jié)構(gòu)自重和節(jié)點(diǎn)連接處摩擦力時(shí)，鋼框間會(huì)產(chǎn)生可觀的豎向位移和水平滑動(dòng)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總體側(cè)移顯著增大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。
4)有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，有限元模型及分析方法具有一定的準(zhǔn)確性，可用以考慮輕質(zhì)復(fù)合墻體抗側(cè)移貢獻(xiàn)下此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析。
