雙層柱面網殼結構在BRB作用下的減震分析

譚燕秋，甄曉慧，史三元

(河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038)

近年來空間網殼結構以其優美的造型和合理的受力形態，成為優越的結構體系［1]。然而，網殼結構復雜，在動力荷載(如風和地震)作用下可能會造成結構的破壞或坍塌［2]。網殼結構減震控制方法主要有支座減震、網殼結構自身減震及下部結構減震。但各種減震體系都有一定的局限性，如在網殼結構中設置大量的阻尼器造價較高，并需要設置數量較多的隔震支座，且存在更換和維修的問題;在下部支撐結構中設置耗能支撐，有時會受到下部結構的限制［3－5]。對此，王秀麗提出采用防屈曲支撐(bucking－restrained brace，BRB)替代網殼結構部分桿件的做法，不僅網殼結構外觀不會發生變化，還可以改善結構的受力模式，從而提高結構的抗震能力［4－7]。本文采用有限元軟件SAP2000對跨度30 m，長度42 m的正放四角錐雙層柱面網殼進行了模態分析及動力響應分析，并對比分析防屈曲支撐在結構中替換不同位置和數量桿件時的減震效果。

1 建立模型

建立正放四角錐雙層柱面網殼結構，兩縱邊支承(圖1)。網殼跨度30 m，長度42 m，厚度1.8 m，矢跨比0.25，網格劃分為沿長度方向每3 m為1格，沿弧長方向按等弧長原則劃分。作用于網殼上的面荷載P=1 kN/m2，網殼桿件尺寸為拱向桿φ127×6，其它桿φ89×6鋼管，所有桿件均采用Q235－B無縫鋼管，密度 ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 Gpa，泊松比λ =0.3，防屈曲支撐核心鋼件屈服強度δ=100 Mpa。Ⅱ類場地土，抗震設防等級為8度，阻尼比ξ=0.02，計算長度30 s。

2 結構自振特性分析

模態分析主要用于確定結構的動力特性，通過模態分析的結果，可以了解結構的固有頻率及振動形式［8－9]。由模態分析整理結構的前10階模態自振周期(表1)及振型(限于篇幅僅給出前3階振型，見圖2)可以看出，雙層柱面網殼自振頻率非常密集，其第1振型為水平振型，第2振型為豎向振型，之后水平振型和豎向振型交錯出現，水平振型出現較多。由此可知，該網殼動力響應主要受水平方向地震作用控制，其中又以側向剛度較小的y向為主，而豎向地震作用也不可忽略。

表1 雙層柱面網殼前10階頻率及周期Tab.1 Top ten －step frequency and the relevant period of double－layer cylindrical lattice shell

3 結構動力響應分析

3.1 網殼結構動力響應分析

選用EL－Centro地震波對正放四角錐雙層柱面網殼結構進行動力響應分析，得到橫向弦桿內力大于縱向弦桿和腹桿的內力，橫向弦桿在跨中內力最大。因此，在本網殼結構中選取位移最大的節點231和軸力最大桿件679進行分析。

3.2 支撐布置位置不同時動力響應分析

動力響應分析表明，正放四角錐雙層柱面網殼結構的橫向弦桿變形最大，尤其是橫向上弦桿，其次是橫向下弦桿和腹桿。因此，應首先考慮將支撐布置在橫向上弦桿和下弦桿，其次是縱向桿和腹桿。但由于BRB屈服強度較低，替代主要受力構件會對結構承載力有較大影響，不利于抗震［10]，所以支撐不宜布置在橫向上弦桿跨中。基于此，設計4種布置方案對支撐布置位置不同時的減震效果進行研究(圖3)。方案均采用相同數量(20根)的支撐進行等截面桿件替換，其中，方案1采用支撐替換橫向上弦桿，方案2采用支撐替換橫向下弦桿，方案3采用支撐替換縱向上弦桿，方案4采用支撐替換腹桿。

表2給出了4種方案在EL－Centro波作用下最大位移減震率及軸力減震率。可以看出，方案1、方案2、方案4在節點231處的最大位移和桿件679處的最大軸力都有所減小，說明這3種方案均達到了一定的減震效果。其中方案4的位移減震率和軸力減震率最大，達到了19.9%和15.8%;方案1和方案2次之，表明在腹桿受力較大處布置防屈曲支撐的減震效果優于橫向上、下弦桿處。方案3的最大位移和軸力反而有所增大，沒有達到減震效果，即此方案不合理。

表2 BRB在4種方案的減震效果比較Tab.2 Damping effect comparison in four kinds of schemes with BRB

表3 替換不同數量支撐的減震效果比較Tab.3 Damping effect comparison in different number with BRB

3.3 支撐布置數量不同時動力響應分析

為了對比支撐布置數量不同時結構的減震效果，在方案4基礎上增設28根腹桿，布置形式仍以替換兩邊橫向邊跨的腹桿為主，并對其進行地震響應分析。表3給出了2種方案(即替換20根腹桿、替換48根腹桿)的最大位移減震率及軸力減震率。可以看出EL－Centro波作用下，2種替換方案均可以起到減震控制的作用，而替換48根腹桿比替換20根腹桿的減震效果更好一些。

4 結論

1)防屈曲支撐在雙層柱面網殼中替換部分桿件對結構的減震有較好的控制效果。

2)不同的布置位置對雙層柱面網殼結構有不同的減震效果，在腹桿受力較大處布置防屈曲支撐的減震效果優于橫向上、下弦桿處，但并非所有的布置形式都會對雙層柱面網殼有減震效果。

3)防屈曲支撐的數量對雙層柱面網殼的減震效果有影響，替換不同數量的支撐對雙層柱面網殼結構減震效果也不相同。

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