可移動鋼結構房屋試驗研究及有限元分析*（建筑）

                張錚^1，2  蔡雪峰^1，2  連夢儀³  陳建良⁴  馬永超¹

（1．福建工程學院土木工程學院，福州350118；2．福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福州350118：3．福州大學土木工程學院，福州350116；4．福建鑫晟新型建材有限責任公司，福建漳州363999）

摘要：對兩層可移動鋼結構房屋結構進行水平風荷載作用下進行靜力測試及有限元分析，考察該類結構的受力和變形性能以及節點連接的作用機理。試驗結果表明，輕質復合墻體對可移動鋼結構房屋整體抗側剛度的貢獻顯著，而節點構造導致的鋼框間連接處錯動將大大增加房屋結構的水平側移。對房屋結構進行有限元模擬和分析，有限元分析結果與試驗結果吻合較好。

關鍵詞：可移動鋼結構房屋；靜力試驗；風荷載；輕質復合墻體；有限元方法

DOI:IO. 13206/j.gjg201605005

    可移動鋼結構房屋是由若干個獨立的鋼框組裝而成的一種裝配整體式建筑，配套的圍護結構更多地開始采用環保節能的輕質復合墻體。此類結構的鋼框之間采用專用連接件進行連接，便于拆裝?？梢苿愉摻Y構房屋具有移動快捷、構造簡單、建設周期短、對基礎要求低、標準化（工業化）程度高、便于裝配（集成）化等特點，因而可廣泛應用于旅游度假、工程建設、監測救災等領域。

    目前國內外針對可移動房屋受力性能的研究集中在混凝土盒子結構及集裝箱房屋，且均為理論分析而缺乏試驗研究。同時，國內尚沒有針對可移動鋼結構房屋結構設計、節點設計以及考慮圍護結構抗側移作用的相關規范和標準。隨著國內可移動鋼結構房屋和輕質復合墻體材料的快速發展，相關研究的匱乏在一定程度上制約了其推廣應用。

    為探究可移動鋼結構房屋的力學性能和作用機理，本文開展可移動鋼結構房屋在水平風荷載作用下的結構整體分析，在試驗研究的基礎上，考察水平荷載作用下墻面板以及節點構造對結構受力性能和整體剛度的影響，并提出有限元分析方法，為可移動鋼結構房屋的工業化生產提供理論依據。

1試驗簡介

    鑒于可移動鋼結構房屋目前仍屬于一種新型結構體系，本文基于足尺寸房屋結構開展靜力試驗。房屋上下兩個鋼框由柱、梁、檁條、集裝箱角件等組成，并通過集裝箱扭鎖來連接，房屋結構尺寸見圖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，節點連接及連接件見圖3。

課題組前期進行了未安裝墻體的兩層可移動鋼結構房屋的試驗研究，發現其抗側剛度明顯不足；此外，由角件和扭鎖構成的節點構造導致上、下鋼框之間發生豎向位移和水平滑動，使得結構水平側移顯著增加。

    在此基礎上，開展了安裝輕質復合墻體后兩層可移動鋼結構房屋的靜力測試，墻體安裝情況見圖4。

    試驗過程中采用4級加載，對應的基本風壓分別為0.3，0.7，1.0，1.6 k N／m²，通過兩個千斤頂進行施加，見圖1。

    為了掌握結構的變形、應力等情況，在受力和變形的關鍵位置布置測點。位移傳感器的布置見圖5a，鋼組件上的應變式傳感器布置見圖5b，墻體上的應變式傳感器布置見圖5c。

2  試驗現象及結果分析

    在加載過程中對房屋結構的變形情況進行觀察發現，結構沿荷載作用方向發生傾斜，上框柱頂的位移最大；在加載一側，結構底座與下框之間以及下框與上框之間出現豎向位移，這與未安裝墻體時的測試一樣。隨著荷載的不斷增大，鋼組件本身均未出現明顯的變形，且墻體始終與鋼框骨架保持良好的連接，始終未發生脫離和破壞，結構表現出較好的受力狀態。各級基本風壓下的結構側移值見表1，鋼框間豎向位移值見表2，鋼框間水平滑動值見表3。

    由表1和表2可知，在水平荷載較小時，隨著水平荷載逐漸增加，結構各部位的側移值以及鋼框間的豎向位移值緩慢增大；當水平荷載超過0.7 k N/m²時，結構側移值及鋼框間豎向位移值出現驟增，之后又趨于平穩地增加。表3所示的鋼框問水平滑動也出現在水平荷載超過0.7 k N／m²時，為摩擦力被克服后瞬間發生。通過觀測發現，鋼框間的錯動（包括豎向位移和水平滑動）是由于采用扭鎖連接的角件內部和扭鎖本身存在一定縫隙導致的。

    綜合以上分析可知，在水平荷載作用下結構側移隨荷載的增加而增加，并受鋼框間節點連接處錯動的影響。當水平荷載較小時，結構側移隨荷載平穩增加；當水平荷載克服結構自重和節點處的連接摩擦后，鋼框間節點連接處開始出現豎向位移和水平滑動，結構側移出現驟增現象；當鋼框間節點連接處的豎向位移和水平滑動趨于穩定后，結構側移隨荷載繼續保持原來的增長速率平穩增加。

    為了考察圍護結構對可移動鋼結構房屋的影響，對在基本風壓為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力、鋼框層間側移和結構總體側移以及鋼框間的豎向位移分別進行對比，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。與未安裝墻體時相比，安裝墻體后的鋼框梁的最大應力降低了96. 8%，鋼框柱的最大應力降低了96. 3%，鋼框層間側移降低了89.8%，結構總體側移降低了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%。這說明由于圍護結構的存在，房屋的整體抗側剛度較純鋼框時大大提高，結構的承載能力也明顯增強；同時，由于房屋自重的增大，鋼框間的豎向位移出現得更晚，豎向位移值也大幅減小，對提高結構的抗側能力更為有利。因此，在設計時應當考慮圍護結構對房屋承載力和抗側剛度的有利作用，從而可對結構進行優化設計，達到節能減排、節約材料、合理降低造價的目的。

    將結構側移實測結果與GB 50017-2003《鋼結構設計規范》中規定的限值（層間h/400和總體H/500；h為層高，H為結構整體高度）進行比較，在基本風壓為0.7 k N／m²和1.6 k N/m²的荷載水平下，結構層間側移分別為/z/1352和h/161，總體側移分別為H/1545和H/178?？梢园l現，0.7 k N／m²時結構側移可以較容易地滿足要求；但1.6 k N／m²時，受水平荷載克服結構自重和節點連接處摩擦力后鋼框間節點連接處發生錯動的影響，結構側移不再滿足要求。

    此外，在基本風壓為0.7 k N/m²和1.6 k N/m²作用下的鋼組件和墻體實測應力值均比較小，鋼組件最大應力值僅分別為3.2 M Pa和16.6 M Pa，墻體最大應力值僅分別為2.7 M Pa和9.1 M Pa。這說明可移動鋼結構房屋鋼框組件和圍護結構的應力水平較低，不容易發生強度破壞，進一步說明房屋結構具有較高的強度儲備。在工程實際中，可以著重從改善結構的剛度人手，提高該類房屋結構的材料利用率。

3  有限元模擬與試驗結果的比較

    在試驗研究的基礎上，本文進一步采用通用有限元分析軟件ANSYS進行可移動鋼結構房屋在水平荷載作用下的結構分析。鋼框組件均采用Beam188單元，節點連接采用Link 10單元，輕質復合墻體采用Shell 63單元。

    試驗過程中結構材料遠沒有達到屈服，因此可按理想彈塑性材料考慮，廠家提供了有關的材性數據。鋼框組件采用的鋼材為Q235，屈服強度為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。輕質復合墻面板厚60 mm，彈性模量為300 M Pa，泊松比為0.2，密度為550 kg/m³。

    根據可移動鋼結構房屋的實際尺寸創建有限元模型，在建立時采用直接建立有限元模型的方法。鋼框組件在節點處的連接均設為固接，檁條兩端則為鉸接，墻體與鋼框組件間設置了自由度耦合。在對模型進行荷載施加時，為了驗證模型建立的準確性，施加與試驗時相同的水平集中力，并將得到的計算結果與試驗結果進行對比分析。

    有限元模型及水平荷載施加示意如圖6所示，水平荷載相當于0.7 k N／m²風壓作用下。分析得到的房屋結構x方向位移云圖如圖7所示，有限元模擬所得的計算值與試驗結果的比較如表5所示。

    由圖7可以看出：房屋結構沿荷載作用方向發生了一定的傾斜，并且最大水平位移發生在上框頂部，與試驗結果一致。由表5可知，因模擬時未考慮下框與底座間錯動，使得計算值比試驗值略小，但誤差較小且均在工程計算精度允許范圍內，說明了房屋結構有限元模型和分析方法的正確性。

4  結束語  ，

    本文對水平荷載作用下兩層可移動鋼結構房屋的抗側移性能進行了試驗考察及有限元模擬，得到以下結論：

    1)在水平荷載作用下可移動鋼結構房屋具有較高的強度儲備，但由于影響結構抗側剛度的因素較多，在實際設計時應著重考慮此結構的抗側剛度問題。

    2)由試驗結果可知，輕質復合墻體對房屋結構的承載能力和抗側剛度具有較大的貢獻，在結構設計時應考慮這一有利因素。

    3)節點連接若采用集裝箱角件和扭鎖，當水平荷載足以克服結構自重和節點連接處摩擦力時，鋼框間會產生可觀的豎向位移和水平滑動，將導致結構總體側移顯著增大，在結構設計中應予以重點關注。

    4)有限元模擬結果與試驗結果吻合較好，有限元模型及分析方法具有一定的準確性，可用以考慮輕質復合墻體抗側移貢獻下此類結構的設計分析。