單層球面網殼結構的柱頂隔震研究

胡 葦，任紅梅，陳貽輝，翟永梅

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.上海市浦東新區建設工程設計文件審查事務中心，上海 201204；3.上海中建建筑設計院有限公司，上海 200122；4.同濟大學 上海防災救災研究所，上海200092）

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單層球面網殼結構的柱頂隔震研究

胡 葦1，任紅梅2，陳貽輝3，翟永梅4

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.上海市浦東新區建設工程設計文件審查事務中心，上海 201204；3.上海中建建筑設計院有限公司，上海 200122；4.同濟大學 上海防災救災研究所，上海200092）

摘要：以帶下部混凝土支承結構的單層聯方型球面網殼為研究對象，針對工程實際中支承剛度過強的情形，提出了柱頂隔震的方法，從而改善了整體結構的抗震性能。非線性時程分析表明，多遇地震作用下LRB能在一定程度上降低支座反力，且使支座反力分布趨于均勻，降低了支座設計的要求；罕遇地震作用下LRB支座基本進入塑性狀態，支座反力維持在屈服力附近，與原結構相比有大幅度的降低，支座滯回曲線飽滿，同時上部網殼的塑性發展程度大大減輕，基本保持為彈性，取得了良好的減震效果。

關鍵詞：柱頂隔震；單層網殼結構；非線性時程分析；減震

0　引言

單層網殼結構是空間結構的重要形式之一，它兼具桿系結構和薄殼結構的特點，造型優美、受力合理、構造簡單，在各類大中跨度建筑中應用廣泛[1]。我國屬于地震多發國家，汶川地震中部分空間結構表現出了不同程度的震害現象[2,3]，主要破壞形式有下部支承結構的破壞、支座連接處的破壞、上部鋼結構屋蓋的過度塑性變形以及結構整體垮塌等[4]。在此背景下研究網殼結構的抗震性能及減隔震措施具有重要意義。

隔震技術是一種能夠有效阻隔地震作用向上部傳輸、降低結構地震反應的技術手段，其基本原理主要有兩點：一是通過延長結構周期來降低地震作用；二是通過附加阻尼來耗散地震能量，從而將結構位移控制在容許的范圍內[5～7]。早期的隔震技術主要應用于多層建筑基礎和橋梁結構的支座處。目前，隨著結構振動控制技術的發展以及大型工程項目對于結構抗震性能需求的不斷提升，該方法在大跨空間結構中也逐步獲得應用。上海國際賽車場新聞中心屋蓋結構采用了高位隔震，其支座為一種新型復合隔震支座，由1個盆式支座和4個普通橡膠支座組合而成，有效地釋放了溫度應力并顯著減小結構的地震反應[7]；土耳其的Ataturk機場候機大廳金字塔形屋蓋結構采用了柱頂摩擦擺隔震方案[8]。

在工程設計中，為了簡化計算，常常將屋蓋結構以簡支邊界單獨進行分析，而忽視了屋蓋與下部支承結構之間的動力相互作用。事實上，下部支承結構的存在及其剛度的不同將對整體結構的抗震性能產生重要影響，尤其是當支承結構的剛度與上部屋蓋相比過強時，結構的地震放大效應會十分顯著，從而大幅降低上部結構的失效極限荷載。在工程實際中，為了滿足建筑功能要求，當支承結構中引入較多的空間框架、樓板或一定數量的剪力墻時，其支承剛度一般會比較大，為了改善此類“強支承”結構的抗震性能，本文以帶下部混凝土支承的單層聯方型球面網殼為研究對象，將其柱頂連接處的普通球形鋼支座替換為具有隔震功能的鉛芯橡膠支座，并對隔震前后結構的抗震性能進行了對比分析。

1　網殼—支承結構整體模型

本文所分析的屋蓋結構為單層聯方型球面網殼（圖1a），其跨度為40m，矢跨比為1/5，網殼桿件采用圓鋼管，材料為Q235B鋼材，環向桿件截面尺寸為Φ132×4、徑向及斜向桿件截面尺寸為Φ116×4。下部支承結構采用圓柱—環梁體系，柱高度為10.0m，為了模擬“強支承剛度”的條件，柱截面直徑設置為1.5m，環梁采用0.6m×0.6m的矩形截面。整個結構共設置柱子24根，梁、柱混凝土強度等級為C30。筆者通過ABAQUS精細化有限元分析發現，當柱截面直徑為1.5m時，整個地震動作用時域范圍內下部支承結構混凝土的損傷因子很小，為了簡化起見，在本文后續的分析中將混凝土材料設置為彈性屬性。上部網殼各桿件之間采用焊接球節點，為剛性連接；網殼與下部支承結構之間在每根柱頂的環梁處采用普通球形鋼支座或隔震支座連接，整體結構模型如圖1（b）所示。

2　隔震裝置的選擇

本文選用鉛芯橡膠支座（Lead Rubber Bearing，LRB）作為隔震裝置。鉛具有良好的力學特性，它的屈服剪應力較低，僅為10MPa 左右，初始剪切剛度較高，剪切模量約為130MPa，性能為理想彈塑性體。鉛芯對于塑性循環具有很好的耐疲勞性能，同時高純度的鉛（99.99％）也較易得到，這就使得其力學性能比較可靠。本文選用無錫某建筑新材料有限公司生產的FUYO鉛芯橡膠支座系列產品LRB600[9]，其力學性能參數如表1所示。

表1　支座的力學性能參數

因此，本文進行對比分析的兩種結構模型為：原結構——柱頂采用普通鋼支座，即鉸接連接；隔震結構——柱頂采用LRB支座連接。

LRB的分析模型采用SAP2000中的Rubber Isolator單元①無錫某建筑新材料有限公司.FUYO橡膠隔震支座標準產品設計資料，其力學模型如圖2所示，它由六個內部的“彈簧”組成，分別代表軸向、剪切、彎曲和扭轉的分量。對每一個變形的自由度，可獨立地指定線性或非線性的行為，其塑性屬性基于Wen（1976）和Park、Wen和Ang（1986）提出的滯回行為。

3　動力特性分析

首先，對隔震前后結構的自振頻率進行比較。由于LRB是一種非線性元件，其剛度是支座變形量的函數，而模態分析是一種線性攝動分析，為了客觀評價隔震裝置對結構動力特性的影響，振型分析時LRB的參數取表1中的等效剛度和等效阻尼比。自振頻率計算結果如表2所示，可以看出隔震結構的自振頻率較原結構有明顯的降低。

表2　隔震前后結構自振頻率對比

4　多遇地震響應分析

將El Centro波和Taft波的加速度峰值調整到70gal（多遇地震），沿三個方向輸入結構，進行非線性時程反應分析。圖3（a、b）給出了原結構和隔震結構柱頂全部24個支座處作用反力包絡值的分布曲線。可以看出，對于原結構，支座最大反力的分布是十分不均勻的，由于地震作用方向的不確定性，實際設計中又要取最不利支座處的反力作為設計依據，因此支座的設計要求往往比較高，地震作用下也容易成為薄弱環節；而對于隔震結構，其支座反力分布相對比較平緩，反力數值也比原結構要低，這既有利于支座的設計也降低了傳遞到上部網殼結構的地震作用。以典型支座6號支座（圖3）為例。

在El Centro波和Taft波作用下，原結構X方向支座最大反力分別為32.11KN和29.01KN，隔震后該支座X方向的反力最大值分別降低到18.45KN和18.59KN，降幅達42.5％和35.9％，圖4（c）給出了原結構和隔震結構中6號支座X方向作用反力時程曲線的對比，可見隔震后結構反應明顯降低。

多遇地震作用下，所有LRB支座的反力均未達到其屈服力，因此支座實際上仍處于初始彈性狀態，圖5給出了典型的6號支座的滯回曲線，可以看出多遇地震下LRB并沒有產生滯回耗能，其隔震作用是通過延長結構周期來實現的。El Centro波和Taft波作用下所有支座水平方向最大位移包絡值分別為3.07mm、3.26mm，這一變形量是在彈性形變范圍內的，能夠保證多遇地震及風荷載作用下結構的正常使用。

5　罕遇地震響應分析

將地震波的加速度峰值調整到規范中規定的罕遇地震的數值，即400gal，并沿三個方向輸入結構基底，進行非線性時程反應分析。與多遇地震相比，罕遇地震作用下結構的反應規律基本類似，但由于支座大部分進入屈服狀態產生了塑性耗能，罕遇地震下隔震結構表現出了更好的減震效果。圖6（a、b）給出了原結構和隔震結構柱頂全部24個支座處作用反力包絡值的分布曲線。可以看出，罕遇地震下原結構的支座反力是相當大的，且分布很不均勻，以支座6為例，在El Centro波作用下兩向水平作用力的合力高達188KN，這使得整體結構在強震作用下容易由于支座過早的破壞而產生失效；而隔震結構的支座反力基本位于屈服力附近，大大降低了傳遞到上部網殼的地震作用。圖6（c）給出了原結構和隔震結構中6號支座X方向作用反力時程曲線的對比，可以看出隔震效果是非常明顯的。

圖7給出了典型的6號支座X方向的滯回曲線，可以看出罕遇地震作用下LRB的滯回曲線飽滿，耗能效果顯著。兩條地震波作用下支座X方向的最大位移分別為20.5mm和18.0mm，均小于支座的最大容許變形量（據產品規格限界變形400％）。

圖8給出了隔震前后上部網殼塑性發展情況的對比圖，可以看出原結構在罕遇地震作用下塑性發展比較嚴重；而隔震結構基本保持為彈性，僅在Taft波作用下最外側的幾根環向桿件產生了塑性變形。

6　結論

隔震前后結構的模態分析表明，LRB能夠有效延長結構的自振周期，從而避開地震動的卓越周期，減小上部結構的地震作用。時程分析表明:（1）多遇地震下LRB能在一定程度上降低支座反力，El Centro波和Taft波作用下的最大降幅達到了42.5％和35.9％，且支座反力分布趨于均勻，降低了支座設計的要求；（2）罕遇地震作用下LRB支座基本進入塑性狀態，支座反力維持在屈服力附近，與原結構相比有大幅度的降低；支座滯回曲線飽滿，耗能效果顯著；同時上部網殼的塑性發展程度大大減輕，基本保持為彈性；（3）總體來看，對于強支承結構，本章采用的柱頂隔震方法是一種由“抗”到“消”的新思路，有效提高了整體結構的抗震性能，取得了良好的效果。

參考文獻：

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A STUDY OF TOP-COLUMN SEISMIC ISOLATION FOR SINGLELAYER RETICULATED DOMES

HU Wei1,REN Hong-mei2,CHEN Yi-hui3，ZHAI Yong-mei4
（1.Tongji University College of Civil Engineering，Shanghai 200092，China；2.Construction Design Document Review Affairs Center of Pudong New Area,Shanghai 201204，China;3.Shanghai Architecture Institute China State Construction Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122，China；4.Shanghai Institute of Disaster Prevention and Relief,Shanghai 200092，China）

Abstract:The research object of this article is single-layer reticulated domes with the concrete supporting structure,in view of the situation that has strong support stiffness in the practical engineering,put forward to improve the performance of the structure in seismic through the method of top-column seismic isolation.Nonlinear time history analysis shows that,under small seismic LRB can reduce the reaction force,and the support reaction force distribution uniform,reduce the bearing design requirements;under major seismic LRB support get into the plastic state,the support reaction force is maintained in the yield force nearby,and is lower than the original structure,hysteresis loop of support is full,while the upper part of the shell plastic development greatly reduced,is essentially elastic,achieved good seismic absorption effect.

Key words:top-column seismic isolation;single-layer reticulated domes;nonlinear time history analysis;seismic absorption effect

作者簡介：胡葦（1990-），男，山東省日照市人，同濟大學土木工程學院，碩士研究所在讀，現主要從事城市綜合防災和工程抗震的研究工作。

收稿日期：2015-10-20

修訂日期：2015-11-25

基金項目：國家科技支撐計劃課題（2012BAJ11B01）

中圖分類號：P315.9

文獻標志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.002

文章編號：1674-8565（2016）01-0008-07