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马俊李元齐
Summary:***混凝土墙板是装配式钢结构建筑、甚至普通钢框架结构建筑的主要围护墙体材料,,基于已有的一栋带蒸压轻质加气混凝土墙板足尺钢框架结构模型试验数据和一栋带预制装配式混凝土墙板钢框架教学楼实测数据,,考虑墙体的经验公式对带******混凝土墙板钢框架结构自振周期实测数据,提出了带***,基本自振周期为结构高度的幂函数,公式计算结果离散度较小,与实测结果吻合较好,可供设计人员参考.
Key:钢框架;***混凝土墙板;自振周期;经验公式
:TU391文献标志码:A
EffectofExteriorConcreteWallPanelsonNaturalPeriodof
SteelFrameStructures
MAJun1,2?偉j,LIYuanqi1
(,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
,Ltd,Shanghai200122,China)
Abstract:Exteriorconcretewallpanelsarebecomingoneofthemainbuildingenvelopematerialsforsteelframestructuresinchina,,andthefeasibilityoftheseformulasforsteelframeswithexteriorconcretewallpanelsisevaluatedbycomparingtheempiricalresultswiththetestdataofafull-scalesteelframestructurewithALCpanelsandwiththefieldmeasureddataofasteelframeschoolbuildingwithprecastconcretewallpanels,
panels,,.
Keywords:steelframes;exteriorconcretewallpanel;naturalperiods;empiricalformulas
***框架结构自振周期是钢框架结构抗震设计中的重要参数,其取值关系到地震作用、,,减小了结构的自振周期[1-2].各国规范在计算钢框架结构自振周期时均考虑了墙体的影响,但在实际应用中,由于墙体材料不同和墙体的安装、布置方式非常灵活,墙体对钢框架自振周期的影响程度很难进行统一描述.
随着我国墙改政策的实施和工业化建筑的推广,***混凝土墙板已逐步成为钢框架结构的主要围护墙体材料.***混凝土墙板的材料性质和安装方式与传统的填充墙截然不同,,已有研究主要集中在砖或混凝土砌块砌体填充墙对钢框架结构自振周期的影响,对于采用***混凝土墙板的钢框架结构自振周期取值还缺乏相关研究,设计过程中也缺
少相关依据[3-4].因此,有必要研究***混凝土墙板对钢框架结构自振周期的影响,提出合理的自振周期计算公式.
本文首先对国内外规范中钢框架结构基本自振周期的计算方法进行归纳,随后采用规范中计算方法对已完成的一栋带蒸压轻质加气混凝土墙板足尺钢框架结构试验模型和一栋带预制装配式混凝土墙板钢框架教学楼的基本自振周期进行计算,并将计算结果与试验结果进行对比,分析了规范计算方法对带******混凝土墙板钢框架结构自振周期实测数据,提出了带***混凝土墙板钢框架结构基本自振周期经验公式,供设计人员参考.
11规范中钢框架基本自振周期计算方法
国内外规范[5-19],,,计算结果通常需要采用周期折减系数进行修正,以考虑墙体对自振周期的影响.
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在实测数据基础上,、基于建筑楼层数、基于结构高度和底部宽度三类,部分规范中建议了多个基本自振周期经验公式.
[5]、意大利规范[6]、瑞士规范[7]、韩国规范[8]和我国台湾规范[9]中,钢框架结构基本自振周期是结构高度的函数,如下:
T1=αhβ.(1)
式中:T1为结构基本自振周期,s;h为结构高度,m;α和β是经验公式系数,,,意大利、瑞士、韓国和我国台湾规范中,.
《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[10]和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)[11]中,钢框架结构基本自振周期是建筑楼层数的线性函数,如下所示:
T1=λN.(2)
式中:N是建筑楼层数;,文献[10]中,~;文献[11]中,.
[12]、西班牙规范[13]、埃及规范[14]、印度规范[15]中建议了该类经验公式,如下所示,
T1=αhd.(3)
式中:h为结构高度,m;d是沿作用力方向的结构宽度,m;,;埃及和印度规范中,.
国内外规范中的钢框架结构基本自振周期经验公式大致分为以上三类,同时,部分国家规范中建议了多个不同形式的经验公式.
美国ASCE7—10[16],可采用基于结构高度的经验公式计算钢框架结构的基本自振周期:
T1=.(4)
同时,对于总层数在12层以下且各层层高不小于3m的钢框架结构,可采用基于建筑楼层数的经验公式计算钢框架结构的基本自振周期:
T1=.(5)
日本规范[17]中同时建议了基于结构高度和建筑楼层数的经验公式:
T1=(+)h,(6)
T1=(±)N.(7)
式(6)中,基本自振周期是结构高度的函数,(7)中,基本自振周期是建筑楼层数的函数,经验公式系数根据墙体和支撑的布置进行调整.

[18]和新西兰规范[19]建议采用式(8)~式(11)计算高度在40m以内的带填充墙的钢框架结构基本自振周期,
T1=,(8)
Ct=,(9)
Ac=∑[Ai·(+(lwi/h))2].(10)
式中:Ct是针对填充墙布置的修正系数;Ac是首层填充墙有效面积,m2;Ai是首层第i片填充墙的有效截面积,m2;lwi是沿水平力作用方向填充墙长度,m;h是结构高度,,墙体长高比lwi/.
,规范中仅考虑了底层填充墙的影响,对于其余楼层中的填充墙则没有具体考虑.
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除了经验公式方法,:
T=2π∑ni=1Wid2ig∑ni=1Fidi.(11)
式中:Wi是第i层的重力荷载,kg;Fi是第i层所受水平力,N;di是相应的第i层弹性变形,m.
为了便于使用,《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)针对质量和刚度沿高度分布比较均匀的钢结构建筑,建议了考虑非结构构件影响的简化瑞利公式:
T1=.(12)
式中:un是将各层重力荷载作为楼层集中水平力后按弹性静力方法计算得到的顶层侧移,m;ξT是考虑非结构构件影响的修正系数,.
欧洲、新西兰和瑞士规范中给出的简化瑞利公式如下:
T1=2Δ.(13)
式中:Δ是将各层重力荷载作为水平荷载后得到的结构顶点弹性水平位移,m.
日本规范针对质量和刚度分布均匀的结构,建议了基本自振周期的简化瑞利公式:
T1=δ5~.(14)
式中:δ是将各层重力荷载作为水平荷载后得到的结构顶点弹性水平位移,,δ/.
瑞利公式基于结构动力计算,考虑了材料性质、,,许多国家规范将经验公式计算结果作为基本自振周期上限值,:美国规范规定基本自振周期取值不得大于经验公式计算值;;澳大利亚规范规定基底剪力设计值不得小于根据自振周期经验公式计算值所得基底剪力计算值的80%.
22各国规范基本自振周期计算方法对比
为了分析规范计算方法对带***混凝土墙板钢框架结构的适用性,根据规范中建议公式,对已有的一栋带蒸压轻质加气混凝土墙板钢框架结构试验模型和一栋带预制装配式混凝土墙板钢框架教学楼的基本自振周期进行了计算,并将计算结果与试验和实测结果进行对比.
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带蒸压轻质加气混凝土墙板钢框架结构试验模型为日本防灾科学技术研究所完成的足尺4层钢框架结构[20].试验模型如图1所示,,Y向2跨,平面尺寸为10m×6m,,,-300×9的方钢管,框架梁截面尺寸见表1.***混凝土墙板采用125mm厚蒸压轻质加气混凝土墙板,墙板在结构的X向两侧和Y向沿B轴一侧满布布置,:采用摇摆工法,墙板通过内置螺栓和导向角钢连接到钢框架,,,蒸压轻质加气混凝土***墙板的连接方式主要有外墙竖装时的摇摆工法、滑动工法、固定工法,以及外墙横装时的摇摆工法和固定工法[21].
%、10%、%、20%的JR鹰取波时,基于测得的加速度时程数据,采用单输入多输出的ARX模型对该结构的模态参数进行了识别,、、、[22].对不同激励幅度下的基本自振周期试验结果取平均值,.

对于忽略墙体经验公式,除澳大利亚规范外,根据其余规范计算得到的基本自振周期计算结果均小于试验值,误差范围约为24%~66%.基于结构高度的经验公式计算结果误差多数在25%左右,但是日本规范的计算结果误差较大,约为
48%.基于结构楼层数的基本自振周期计算结果变化范围较大,误差范围为27%~66%.基于结构高度和底部宽度的经验公式计算结果误差分别为36%和29%.值得注意的是,我国规范中建议的基于建筑楼层数的经验公式误差范围为27%~51%,与试验结果相差偏大.
对于考虑墙体布置经验公式,欧洲规范和新西兰规范的计算结果与试验结果非常接近,误差仅为11%.与忽略墙体经验公式计算结果相比,考虑墙体布置经验公式的计算结果与试验结果更加接近.
对于瑞利公式方法,《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)中的建议公式由于考虑了非结构构件的影响,修正后的基本自振周期计算结果与试验结果最为接近,但对于修正系数的取值仍需进一步研究.
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,标准层平面图如图5所示,,Y向3跨,平面尺寸60m×,,,框架梁采用H型钢,截面尺寸见文献[23].***混凝土墙板采用150mm厚预制装配式混凝土墙板,墙板沿结构四周满布布置.