可移动钢结构房屋试验研究及有限元分析* 可移动钢结构房屋试验研究及有限元分析*
张铮1,2蔡雪峰1,2连梦仪3陈建良4马永超1
(1.福建工程学院土木工程学院， 福州350118； 2.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室， 福州350118；3.福州大学土木工程学院， 福州350116； 4.福建鑫晟新型建材有限责任公司， 福建漳州363999)
摘要：对两层可移动钢结构房屋结构进行水平风荷载作用下进行静力测试及有限元分析，考察该类结构的受力和变形性能以及节点连接的作用机理。试验结果表明，轻质复合墙体对可移动钢结构房屋整体抗侧刚度的贡献显著，而节点构造导致的钢框间连接处错动将大大增加房屋结构的水平侧移。对房屋结构进行有限元模拟和分析，有限元分析结果与试验结果吻合较好。
关键词：可移动钢结构房屋； 静力试验； 风荷载； 轻质复合墙体； 有限元方法
可移动钢结构房屋是由若干个独立的钢框组装而成的一种装配整体式建筑，配套的围护结构更多地开始采用环保节能的轻质复合墙体。此类结构的钢框之间采用专用连接件进行连接，便于拆装。可移动钢结构房屋具有移动快捷、构造简单、建设周期短、对基础要求低、标准化(工业化)程度高、便于装配(集成)化等特点，因而可广泛应用于旅游度假、工程建设、监测救灾等领域[1-3]。
目前国内外针对可移动房屋受力性能的研究集中在混凝土盒子结构及集装箱房屋[4-6]，且均为理论分析而缺乏试验研究。同时，国内尚没有针对可移动钢结构房屋结构设计、节点设计以及考虑围护结构抗侧移作用的相关规范和标准。随着国内可移动钢结构房屋和轻质复合墙体材料的快速发展，相关研究的匮乏在一定程度上制约了其推广应用。
为探究可移动钢结构房屋的力学性能和作用机理，本文开展可移动钢结构房屋在水平风荷载作用下的结构整体分析，在试验研究的基础上，考察水平荷载作用下墙面板以及节点构造对结构受力性能和整体刚度的影响，并提出有限元分析方法，为可移动钢结构房屋的工业化生产提供理论依据。
1试验简介
鉴于可移动钢结构房屋目前仍属于一种新型结构体系，本文基于足尺寸房屋结构开展静力试验。房屋上下两个钢框由柱、梁、檩条、集装箱角件等组成，并通过集装箱扭锁来连接，房屋结构尺寸见图1。钢框所采用的柱和梁为薄壁钢管，檩条为冷成型槽钢，尺寸见图2，节点连接及连接件见图3。
1—横梁； 2—立柱； 3—檩条； 4—上框； 5—下框。
图1房屋尺寸
a—柱； b—梁； c—檩条。
图2组件尺寸
a—连接角件； b—扭锁。
图3节点连接及连接件
课题组前期进行了未安装墙体的两层可移动钢结构房屋的试验研究，发现其抗侧刚度明显不足；此外，由角件和扭锁构成的节点构造导致上、下钢框之间发生竖向位移和水平滑动，使得结构水平侧移显著增加[7]。
在此基础上，开展了安装轻质复合墙体后两层可移动钢结构房屋的静力测试，墙体安装情况见图4。
试验过程中采用4级加载，对应的基本风压分别为0.3，0.7，1.0，1.6 kN/m2，通过两个千斤顶进行施加，见图1。
为了掌握结构的变形、应力等情况，在受力和变形的关键位置布置测点。位移传感器的布置见图5a，钢组件上的应变式传感器布置见图5b，墙体上的应变式传感器布置见图5c。
图4墙体安装情况
a—位移传感器；b—钢组件上的应变式传感器；
c—墙体上的应变式传感器。
注：数字为传感器编号；━为应变式传感器。
图5测点布置
2试验现象及结果分析
在加载过程中对房屋结构的变形情况进行观察发现，结构沿荷载作用方向发生倾斜，上框柱顶的位移最大；在加载一侧，结构底座与下框之间以及下框与上框之间出现竖向位移，这与未安装墙体时的测试一样。随着荷载的不断增大，钢组件本身均未出现明显的变形，且墙体始终与钢框骨架保持良好的连接，始终未发生脱离和破坏，结构表现出较好的受力状态。各级基本风压下的结构侧移值见表1，钢框间竖向位移值见表2，钢框间水平滑动值见表3。
由表1和表2可知，在水平荷载较小时，随着水平荷载逐渐增加，结构各部位的侧移值以及钢框间的竖向位移值缓慢增大；当水平荷载超过0.7 kN/m2时，结构侧移值及钢框间竖向位移值出现骤增，之后又趋于平稳地增加。表3所示的钢框间水平滑动也出现在水平荷载超过0.7 kN/m2时，为摩擦力被克服后瞬间发生。通过观测发现，钢框间的错动(包括竖向位移和水平滑动)是由于采用扭锁连接的角件内部和扭锁本身存在一定缝隙导致的。
表1侧移情况
基本风压/(kN·m-2)底座侧移δ0/mm下框底部侧移δ1b/mm下框顶部侧移δ1t/mm上框底部侧移δ2b/mm上框顶部侧移δ2t/mm0.30.080.130.110.020.440.70.190.211.471.623.781.01.933.429.6211.222.91.63.375.2812.014.832.9
表2钢框间竖向位移值
基本风压/(kN·m-2)底座和下框之间竖向位移值δ11/mm上框和下框之间竖向位移值δ12/mm0.30.020.000.71.030.071.07.282.251.69.224.31
表3钢框间水平滑动值mm
底座与下框之间上框与下框之间0.161.58
综合以上分析可知，在水平荷载作用下结构侧移随荷载的增加而增加，并受钢框间节点连接处错动的影响。当水平荷载较小时，结构侧移随荷载平稳增加；当水平荷载克服结构自重和节点处的连接摩擦后，钢框间节点连接处开始出现竖向位移和水平滑动，结构侧移出现骤增现象；当钢框间节点连接处的竖向位移和水平滑动趋于稳定后，结构侧移随荷载继续保持原来的增长速率平稳增加。
为了考察围护结构对可移动钢结构房屋的影响，对在基本风压为0.7 kN/m2的水平荷载作用下安装墙体与未安装墙体[7]钢组件的最大应力、钢框层间侧移和结构总体侧移以及钢框间的竖向位移分别进行对比，见表4。
表4安装墙体与未安装墙体的试验结果比较
项目梁最大应力/MPa柱最大应力/MPa钢框层间侧移/mm结构总体侧移/mm上框和下框之间竖向位移值/mm底座和下框之间竖向位移值/mm安装墙体Ri3.22.42.163.780.071.03未安装墙体Rf100.465.421.2050.904.319.29Ri-RfRf/%-96.8-96.3-89.80-92.60-98.40-88.90
从表4可以看出，安装墙体与未安装墙体在水平荷载作用下的受力性能存在显著的差别。与未安装墙体时相比，安装墙体后的钢框梁的最大应力降低了96.8%，钢框柱的最大应力降低了96.3%，钢框层间侧移降低了89.8%，结构总体侧移降低了92.6%，上框和下框之间的竖向位移值降低了98.4%，底座和下框之间的竖向位移值降低了88.9%。这说明由于围护结构的存在，房屋的整体抗侧刚度较纯钢框时大大提高，结构的承载能力也明显增强；同时，由于房屋自重的增大，钢框间的竖向位移出现得更晚，竖向位移值也大幅减小，对提高结构的抗侧能力更为有利。因此，在设计时应当考虑围护结构对房屋承载力和抗侧刚度的有利作用，从而可对结构进行优化设计，达到节能减排、节约材料、合理降低造价的目的。
将结构侧移实测结果与GB 50017—《钢结构设计规范》[8]中规定的限值(层间h/400和总体H/500；h 为层高，H为结构整体高度)进行比较，在基本风压为0.7 kN/m2和1.6 kN/m2的荷载水平下，结构层间侧移分别为h/1352和h/161，总体侧移分别为H/1545和H/178。可以发现， 0.7 kN/m2时结构侧移可以较容易地满足要求；但1.6 kN/m2时，受水平荷载克服结构自重和节点连接处摩擦力后钢框间节点连接处发生错动的影响，结构侧移不再满足要求。
此外，在基本风压为0.7 kN/m2和1.6 kN/m2作用下的钢组件和墙体实测应力值均比较小，钢组件最大应力值仅分别为3.2 MPa和16.6 MPa，墙体最大应力值仅分别为2.7 MPa和9.1 MPa。这说明可移动钢结构房屋钢框组件和围护结构的应力水平较低，不容易发生强度破坏，进一步说明房屋结构具有较高的强度储备。在工程实际中，可以着重从改善结构的刚度入手，提高该类房屋结构的材料利用率。
3有限元模拟与试验结果的比较
在试验研究的基础上，本文进一步采用通用有限元分析软件ANSYS进行可移动钢结构房屋在水平荷载作用下的结构分析。钢框组件均采用Beam 188单元，节点连接采用Link 10单元，轻质复合墙体采用Shell 63单元。
试验过程中结构材料远没有达到屈服，因此可按理想弹塑性材料考虑，厂家提供了有关的材性数据。钢框组件采用的钢材为Q235，屈服强度为235 MPa，弹性模量为2.06 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。轻质复合墙面板厚60 mm，弹性模量为300 MPa，泊松比为0.2，密度为550 kg/m3。
根据可移动钢结构房屋的实际尺寸创建有限元模型，在建立时采用直接建立有限元模型的方法。钢框组件在节点处的连接均设为固接，檩条两端则为铰接，墙体与钢框组件间设置了自由度耦合。在对模型进行荷载施加时，为了验证模型建立的准确性，施加与试验时相同的水平集中力，并将得到的计算结果与试验结果进行对比分析。
有限元模型及水平荷载施加示意如图6所示，水平荷载相当于0.7 kN/m2风压作用下。分析得到的房屋结构x方向位移云图如图7所示,有限元模拟所得的计算值与试验结果的比较如表5所示。
图6有限元模型及水平荷载的施加
图7水平荷载作用下结构位移云图mm
由图7可以看出：房屋结构沿荷载作用方向发生了一定的倾斜，并且最大水平位移发生在上框顶部，与试验结果一致。由表5可知，因模拟时未考虑下框与底座间错动，使得计算值比试验值略小，但误差较小且均在工程计算精度允许范围内，说明了房屋结构有限元模型和分析方法的正确性。
表5有限元模拟计算值与试验值比较
位置有限元值δe/mm试验值δc/mm(δc-δe)/mmδc-δeδe/%下框底部0.2100-下框顶部1.471.34-0.13-8.84上框底部上框顶部1.623.781.513.41-0.11-0.37-6.79-9.78
4结束语
本文对水平荷载作用下两层可移动钢结构房屋的抗侧移性能进行了试验考察及有限元模拟，得到以下结论：
1)在水平荷载作用下可移动钢结构房屋具有较高的强度储备，但由于影响结构抗侧刚度的因素较多，在实际设计时应着重考虑此结构的抗侧刚度问题。
2)由试验结果可知，轻质复合墙体对房屋结构的承载能力和抗侧刚度具有较大的贡献，在结构设计时应考虑这一有利因素。
3)节点连接若采用集装箱角件和扭锁，当水平荷载足以克服结构自重和节点连接处摩擦力时，钢框间会产生可观的竖向位移和水平滑动，将导致结构总体侧移显著增大，在结构设计中应予以重点关注。
4)有限元模拟结果与试验结果吻合较好，有限元模型及分析方法具有一定的准确性，可用以考虑轻质复合墙体抗侧移贡献下此类结构的设计分析。
参考文献
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[8]GB 50017—钢结构设计规范[S].
EXPERIMENTAL RESEARCH AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF REMOVABLE STEEL STRUCTURE HOUSES
Zhang Zheng1,2Cai Xuefeng1,2Lian Mengyi3Chen Jianliang4Ma Yongchao1
(1. School of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China;2. Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informatization in Civil Engineering, Fuzhou 350118, China;3. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;4. Fujian Xinsheng New Building Material Co.Ltd, Zhangzhou 363999, China)
ABSTRACT：The static test and finite element analysis of removable steel structure houses were conducted under lateral wind loads. The mechanical behavior and deformation performance of such structures were investigated, as well as the action mechanism of the connections. The test results showed that light-weight composite walls contributed a lot to the overall stiffness of removable steel structure houses, and the horizontal deflections of the structures could be greatly increased by the relative shifting of the separate box units which were caused by joint structure. The tests were simulated and analyzed by finite element method and the analysis results agreed well with the test results.
KEY WORDS：removable steel structure houses； static test； wind load； light-weight composite wall； FEM
收稿日期：-11-27
DOI:10.13206/j.gjg05005
*福建省高校服务海西建设重点项目(闽教高[] 8号)；福州市科技局科技重点项目(-G-117)。
第一作者：张铮，男，1978年出生，工学博士，副教授。
Email：frp_creep@
