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轻钢龙骨结构具有轻质、高强、节能、环保、施工速度快、易于产业化等优点,近年来在国际上发展迅速并广泛应用于低层住宅,但在我国其研究和应用还处于初始阶段。北美已发布了用于低层轻钢龙骨住宅的指导性方法和设计手册,多层轻钢龙骨结构尚无相应规范及计算方法。抗震试验是了解和研究结构或构件抗震性能和破坏机理的有效手段,模拟地震振动台试验更接近于结构受地震动作用的工作状态。已有振动台试验仅有澳大利亚的单层单间房屋振动台试验和美国的两层无罩面板房屋振动台试验。国内对该体系是否可用于多层建筑尚存担忧。为推动该体系在我国住宅、特别是多层住宅中的应用,本文进行了多层轻钢龙骨房屋振动台试验以研究体系的整体抗震性能。
轻钢龙骨房屋的构件尺寸一般较小,如龙骨骨架通常采用壁厚较薄的冷成型钢,连接龙骨骨架和罩面板的自攻螺钉较小,难以采用缩尺模型。为了准确研究各种构造因素的影响,本文取开间的一个区格,根据实际构造设计、制作三层足尺模型。每层尺寸2.3×2.0×2.4m,代表实际尺寸2.3×3.9×2.4m,总高7.2m,采用装配式住宅施工方法建造。
激励地震波选EL-Centro波、Taft波和宿迁人工波,按设防要求从基本烈度到罕遇烈度依次输入,共32个工况。试验过程中模型变形较小,个别钉子松动或拔出,层间扁钢带和柱与导轨连接处部分螺钉剪断,墙板无明显剪切或撕裂破坏;台面输入加速度峰值在0.30g及以上时,二、三层墙板有明显错位;不同地震波、不同加速度峰值的重复试验下结构响应表现出相似的规律;部分螺钉拔出或剪断后模型仍可抵御罕遇地震的作用。
根据振动测试原理对所采集加速度信号进行滤波处理并消除趋势项,利用模态分析和频谱分析理论进行了动力特性和地震响应分析。分析结果表明:各级加载前后模型自振频率变化不大,结构刚度退化不明显;随激励加速度峰值增加阻尼比增长较快,说明结构构件间的摩擦及不可见损伤引起耗能增大;输入地震波的频谱特性对结构地震响应影响较大;最大基底剪重比与地震加速度峰值近似成线性关系,水平地震作用下位移曲线具弯剪型特征;各级加载过程中结构构件基本处于弹性状态,表明轻钢龙骨结构具有良好的抗震性能;在试验基础上依据等代拉杆法计算了楼层侧移刚度,与所测结果吻合较好。
试验及分析说明通过合理设计可以使轻钢龙骨结构在罕遇地震作用下处于弹性状态。本文研究论证了在高烈度抗震设防地区建造多层轻钢龙骨房屋的可行性,为具体工程应用和规范修订及进一步深入研究提供了依据。