摘要：针对拆装式箱型房屋的特殊构造，首先采用试验的方法确定纵向抗侧刚度，然后通过模拟确定纵向抗侧刚度，再通过对结果的比较验证试验的准确性与真实性，实现为设计施工提供依据的根本目标。
关键词：箱型房屋；纵向抗侧刚度
对拆装式箱型房屋而言，它是指采用轻型钢框架可以满足各项功能要求，也能实现重复拆装的新型房屋。纵向抗侧刚度是这种房屋的主要指标，应通过试验与模拟来准确确定，为后续的设计施工提供可靠依据。
1试验确定纵向抗侧刚度
1.1试验设计
在试验中使用还原比例的模型，箱型房屋尺寸为：长×宽×高=（6055×2500×2800）mm。房屋的顶、底框梁和角件通过焊接形成整体顶、底框，而顶、底框由高强螺栓与立柱相连。根据实际情况在底框上进行硅酸盖板满铺，为楼面荷载的持续施加提供方便。在试验过程中，直接将房屋放到刚性支座之上。将底框梁的正立面记作LA，将背立面记作LB，立柱以逆时针的顺序记作ZA、ZB、ZC和ZD[1]。
1.2试件主要材性
对于钢材的材性试验，需要以现行规范为依据进行，因梁、柱都要用钢板通过冷弯制成，所以只需要从构件当中选取3个厚度为4mm的板件开展试验，以此获得屈服强度的均值，为340MPa，以及抗拉强度的均值，为440MPa，由此可得断后伸长率及弹性模量分别为33%和2.08×105MPa。对连接使用的螺栓而言，其屈服强度、抗拉强度与弹性模量分别为640MPa、800MPa和2.06×105MPa。
1.3设置测点
在箱型房屋中，其梁和柱的截面都属于非对称形式的冷弯薄壁截面，有着十分复杂的受力情况，基于此，为获得准确的结构抗侧水平，需在角件位置、柱顶与柱中设置测点，即埋深位移计。
1.4加载方案
试验在专门设置的试验室当中进行。为对房屋可能进入的最不利状态进行模拟，在试验过程中，先对楼面实施加载，为了对均布荷载实际加载效果进行模拟，把楼面等分成200个区格，各区格均布置重块，将荷载相似比例确定为1:4，实际加载量为12.5kN。之后向柱顶施加一定竖向荷载，利用重力实现加载，对房屋进行拆装之后组成一个打包箱，在其内部匀布重物，再用吊车放置到房屋顶，将荷载相似比例确定为1:4，实际加载量为42.6kN。在对角柱进行水平加载的过程中，应采用水平分级的方式，由加载器持续加载到房屋顶部角件，在油缸和角件之间布置垫板。施加完一级荷载后需保持3min，各柱顶部应施加一致的水平荷载。
1.5试验表现
在向楼面施加荷载的过程中底框梁的跨中产生挠曲变形，角件和立柱之间发生脱落；再向房屋顶部施加荷载的过程中角件和立柱之间的脱离开始变小。房顶荷载全部施加完以后，开始向角件施加水平方向上的荷载，伴随加载器不断加载，房屋开始侧向移动，角件和立柱之间的脱离明显增大。其中，ZA、ZD为肢尖受压，角形截面上的短边肢，其肢尖缝隙比肢背大；ZB、ZC长边肢上的肢尖和角件有很大缝隙。在加载时，立柱并未产生较大扭转，也能保持稳定，当房屋产生很大侧向移动时，停止试验。对水平侧向上的加载进行卸除，立柱上产生的弯曲变形可以恢复。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在拆除立柱以后发现，角件的螺栓孔位置有破损，但螺栓自身保持完好[2]。
1.6侧向变形及刚度
受水平荷载作用后，房屋在刚进行试验时处在线弹性的实际状态，伴随荷载不断增大，顶、底框和立柱间的连接部位进入非线性状态。在柱中设置的测点结果有所不同，表明立柱有扭转变形，对于ZA、ZD，其受力情况和ZB、ZC基本一致。
对抗侧刚度而言，它是箱型房屋主要力学指标，能综合衡量房屋的力学性能，可将其表示为以下形式：
（1）
式（1）中，P表示角件水平荷载；表示顶部角件位移。
在柱顶部的荷载超过6.310kN后，ZB、ZC位移均值为10.10mm，采用式（1）能计算出抗侧刚度，为1.249kN/mm。现行规范指出，受风荷载后，实际侧移应控制在结构总高1/300以内，中侧移控制在9.33mm内，如果房屋的侧向移动达到9.33mm，则纵向荷载为5.83kN。
2模拟和试验的对比
2.1单元类型和接触处理
利用ABAQUS6.10对试验施以数值模拟，房屋主、次梁和立柱都采用薄壁型钢，由壳单元实施模拟，根据实测结果确定梁柱的截面尺寸，而壳单元材性必须和实测结果完全相同，其屈服强度、弹性模量与泊松比分别为340MPa、2.08×105MPa和0.3。
在建模过程中，可将主、次梁合并成一个完整部件，同时和角件实施绑定，形成底框，处在顶部的主梁和角件实施绑扎，形成顶框，顶、底框和立柱之间的螺栓由线性单元实施模拟，将线性单元确定为Spring2，于X、Y两个方向设置相对较大的刚度，对立柱和角件发生的相对位移进行限制，Z向上设置刚度实现对拉拔性能的准确模拟，通过对比分析将Z向上的刚度确定为1.5×105kN/mm，角件和立柱间有一定脱离与挤压，借助接触处理，将粗网格角件作为主面。在主接触面和从接触面之间除了有法向接触，还有切向接触，其中，法向接触属于硬接触。如果存在相互挤压，则在法向能产生相互作用；如果接触面直接脱离，则法向上的相互作用将消失，使切向变为无摩擦。
2.2加载方案与边界条件
对模型的加载使用和试验完全相同的方法，先对楼板与屋顶加载，再对柱顶施加水平方向上的荷载。将楼面荷载均匀的施加到次梁上，将柱顶荷载均匀施加到角件上；将柱顶水平纵向上的荷载均匀施加到顶框角件侧面，所施加的荷载数值和试验完全一致。此外，还要对底框各角件底面不同方向产生的位移施加约束[3]。
2.3模拟和试验的比较
线弹性状态下，模拟和试验的结果十分接近。伴随荷载不断增加，模拟和试验出现了差别，表明通过模拟能对房屋受水平荷载后的性能进行正确分析。ZA、ZC和角件之间的脱离情况模拟预实验基本一致。
3总结
通过对房屋的加载试验，对其受水平荷载后的抗侧性能进行分析研究，同时对模拟、试验所得结果进行比较，由此可得以下结论：
（1）受纵向水平荷载后，立柱在产生侧向移动的同时还伴有一定扭转变形，但立柱并未因此失稳破坏，而结构产生一定侧向移动无法继续稳定承受水平方向上的荷载。
（2）受纵向水平荷载后，结构整体抗侧刚度相对较小，在房屋设计过程中需要综合考虑，同时充分利用墙板具有的作用，也可以设置稳定的侧向支撑。
（3）受纵向水平荷载后，因螺栓被持续拔出，所以立柱和角件间有可能产生脱离，导致螺栓孔损坏，但高强螺栓本身可以基本保持完好，节点表现出良好的半刚性，在分析过程中需要重点考虑。
（4）采用ABAQUS和Spring2对螺栓进行模拟，角件和立柱间运用接触处理，能对弹性阶段的房屋抗侧进行良好模拟。
参考文献：
[1]张俊峰,杨大雍,郭庆,张玉津,肜茜菲.拆装式箱型房屋纵向抗侧刚度研究[J].钢结构,2018,33(03):1-5.
[2]张俊峰,杨大雍,郭庆,张玉津,肜茜菲.拆装式箱型房屋竖向承载力试验研究[J].工业建筑,2017,47(10):162-167.
[3]张俊峰,杨大雍,胡文悌,刘存芳.拆装式箱型房屋整体抗弯刚度研究[J].钢结构,2016,31(12):28-32+12.
论文作者:刘然兴1,王海涛2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/30
标签：荷载论文; 刚度论文; 房屋论文; 立柱论文; 纵向论文; 加载论文; 水平论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;