超大跨度單層網殼隔震結構多維地震作用分析

王 世 宇

(貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550000)

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超大跨度單層網殼隔震結構多維地震作用分析

王 世 宇

(貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550000)

以安陽市科技館球面型單層聯方型網殼結構為研究對象，利用有限元軟件Midas gen建立三維有限元模型，對該結構進行水平地震及雙向地震作用下隔震結構原結構地震響應對比分析，研究了隔震大跨度網結構多維地震作用下地震響應峰值的變化情況。

大跨度網殼，長周期地震波，隔震結構，有限元模型

0 引言

單層網殼結構作為大跨空間結構的一種常用結構形式，由于覆蓋面積大，承載力高，受力合理，構造簡單，在各類大、中跨度結構中應用較為廣泛。此類結構跨度大及自身構造所具有的特殊性，使得其在地震作用下抗震性能表現較差。通過地震作用下大跨度空間結構震害調查分析，發現在強震作用下大跨度空間結構主要破壞形式有以下幾種：下部支座支反力不足引起的破壞；支座支撐體系的破壞；上部大跨度空間結構的過大變形及整體失穩。

隔震技術以其良好的減震效果及經濟性，已經得到工程界普遍認可，許多國家的大跨度網殼形式的結構在不斷出現。我國于20世紀80年代開始接觸隔震、減震理論并投入工程應用，但我國現有的隔震結構主要以多層建筑為主，針對超大跨度網殼結構的理論研究和應用較少。作為網殼結構主要應用形式的大型公共建筑在地震時承擔著指揮搶險救災與安置災民的任務。因此對大跨度空間結構隔震技術研究和應用，對提高大型公共建筑的安全性具有重要意義。周穎等人[4]研究了多維地震動輸入對大跨度空間隔震結構的地震響應的影響問題。杜永峰研究了雙向地震作用下的串聯大跨隔震結構的減震控制問題，并提出了序列最優控制算法。胡葦[3]對大跨度的單層網殼柱頂隔震結構與非隔震結構進行了不同地震波作用下非線性時程分析對比分析，分析了隔震技術采用的必要性。周福霖等人對大底盤多塔樓結構的隔震減震策略進行了研究。結果表明，隔震技術的采用對高層及大跨度空間結構地震響應起到明顯的削弱作用。大量的研究表明大跨度空間結構隔震設計對結構抗震性能起到了較好的抗震效果。目前國內對已完成的隔震結構進行受力分析時主要采用單向地震作用下的地震響應分析，此類分析方法對多層隔震結構的地震響應分析精度較高，但對大跨度空間結構，由于結構自身的特殊性，僅進行單向地震作用下地震響應分析已不能滿足要求，因此大跨度空間結構的雙向地震作用下的響應分析計算是十分必要的。

本文以超大跨單層球面聯方型網殼結構為背景，利用Midas gen軟件建立三維有限元模型，分別對結構進行天津波(長周期地震波)和EI波(普通地震波)輸入，運用時程分析法對超大跨度單層聯方型球面網殼結構進行多維地震及單向地震作用下隔震結構和原結構的地震響應進行對比分析，為以后大跨度網殼結構的設計應用提供一定參考。

1 隔震支座的選取及有限元模型的建立

1.1 隔震支座的選取

文中選用Midas gen中提供的遲滯性鉛芯橡膠支座隔震裝置(LRB)，此類隔震支座受力性能穩定，外界因素(溫度，濕度)對支座的影響較小，經濟性好，制造構造簡單等優點，使其在現有隔震結構中得到較為廣泛的應用。此類隔震支座由6個彈簧構成，其中2個與剪切變形有關，其余4個分別與軸向、扭轉、兩個彎曲成分相關。文中選用鄭州某建筑材料研究所開發的LRB600，力學性能參數如表1所示。

表1 支座力學性能參數

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 結構幾何尺寸

安陽市科技館采用單層聯方型球面網殼結構，結構方案示意圖如圖1所示，網殼結構覆蓋直徑為80.00 m，矢高10 m，矢跨比為1/8。結構上部網殼部分網格劃分設計采用浙江大學開發空間結構設計軟件MSTCAD2008，結構采用網殼徑向網格數為15個，最外層環向網格23個，網殼由外向內多次收格使結構中網格大小均勻。網殼中鋼構件采用φ160×5，節點采用有一定抗彎剛度焊接球結點。屋架網殼結構周邊分別通過剛性支座或隔震支座支承在環形混凝土支撐梁上，環形混凝土支撐梁放置在24根立柱上，整體結構模型如圖1所示。

1.2.2 材料選取及單元劃分

Midas gen模型鋼構件均采用Q345鋼，屈服強度為310 MPa，泊松比取0.3，密度為7 800 kg/m3。由于模型采用空間桁架模型進行分析會涉及到邊界單元的問題，使得網殼結構的分析計算較為復雜，為簡化結構計算復雜程度，網殼結構采用相對簡單的空間剛架模型進行分析計算。模型中桿件均采用梁單元。由于結構構造復雜，包含桿件數量較多，梁單元采用一桿一單元原則進行劃分。

2 有限元分析

2.1 結構動力特性分析

首先，對隔震設置前后結構的自振特性進行對比分析，由于LRB是一種非線性隔震支座。其剛度為與支座變形量相關的函數，模態分析是一種線性對并列出模態攝動分析，為了客觀評價隔震支座對結構自振特性的影響，振型分析時采用表2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(隔震結構及原結構前10階自振頻率)。

表2 隔震前后結構自振頻率對比

由模態分析的結果可知：經過隔震支座的設置，超大跨度聯方型單層網殼結構自振頻率相對于原結構有較大程度的降低，降低幅度在20%～50%之間，模態數越高降幅越小，說明隔震支座的設置可有效降低結構剛度，從而使結構自振周期遠離地震波周期，起到有效減震作用；原結構自振頻率分布譜較為密集，隔震支座設置后使得結構自振頻率分布較為分散，表明隔震支座的設置可以使得結構的破壞模式變得較為獨立，破壞模態變得簡單有利于改善結構抗震設計難度。

2.2 網殼結構地震作用下地震響應分析

文中以安陽市科技館為研究對象，分別將EI波和長周期天津波，以單向水平地震作用和多維地震作用(水平加豎向)形式輸入隔震結構和原結構。根據抗震規范中安陽市抗震設防烈度(7度，0.15g)將地震波峰值加速度調整到55 cm/s2作為地震波激勵輸入結構，利用動力時程分析方法分別計算隔震結構和原結構在常遇地震作用下地震峰值響應分析(結構支反力、豎向位移峰值、支座位移峰值、桿件內力峰值)，計算結果如表3所示。

表3 隔震前后結構地震響應峰值對比

由表3分析可知：

1)超大跨度單層網殼結構在長周期地震波作用下隔震結構和原結構的地震響應峰值大于EI波作用下隔震結構和原結構的地震響應，但隔震后結構在長周期地震波作用下響應峰值增幅大于隔震前峰值響應增幅，表明隔震結構對長周期地震波反應更加敏感。

2)多維地震作用下網殼結構地震響應峰值大于單向水平地震作用下峰值響應，隔震前結構在多維地震作用下地震響應相對于單向水平作用下的增幅較大，說明隔震結構中隔震支座的設置可以減小多維地震作用對結構地震響應的影響。

3)經過隔震支座的設置，隔震結構在地震作用下最大豎向位移峰值，支反力峰值，支座位移峰值，桿件內力峰值分別降低為原結構的1/6,1/3,1/4,1/2；說明隔震結構的隔震支座的設置對于結構豎向位移峰值響應降低幅度最大，內力峰值響應降低幅值最小。

3 結語

本文以安陽市科技館超大跨度單層網殼結構工程為研究對象，選用普通地震波EI波及長周期天津波，對單層網殼結構在水平地震作用及多維地震作用下隔震結構和原結構中桿件內力峰值、最大位移峰值、支反力峰值、支座位移峰值進行分析比較，通過分析得出以下結論：

1)原結構自振頻率分布譜較為密集，隔震支座設置后使得結構自振頻率分布較為分散，表明隔震支座的設置可以使得結構的破壞模式變得較為獨立，破壞模態變得簡單有利于改善結構抗震設計難度。

2)超大跨度單層網殼結構在長周期地震波作用下隔震結構和原結構的地震響應峰值大于EI波作用下隔震結構和原結構的地震響應，但隔震后結構在長周期地震波作用下響應峰值增幅大于隔震前峰值響應增幅，表明隔震結構對長周期地震波反應更加敏感。

3)多維地震作用下網殼結構地震響應峰值大于單向水平地震作用下峰值響應，隔震前結構在多維地震作用下地震響應相對于單向水平作用下的增幅較大，說明隔震結構中隔震支座的設置可以減小多維地震作用對結構地震響應的影響。

[1] 范 峰，沈世釗.凱威特單層網殼結構隔震分析[J].世界地震工程,2007(6):25-26.

[2] 郭海山.單層球面網殼結構動力穩定性及抗震性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學博士學位論文,2003.

[3] 胡 葦，任紅梅，陳貽海.單層球面網殼結構柱頂隔震研究[J].防災減災學報,2016(6):32.

[4] 劉 璐，周 穎，胡 凱.雙向地震動輸入高層結構的響應研究[J].振動與沖擊,2014(4):37.

Analysis on multi-dimensional seismic action of extra-large-span single-layer reticulated shell seismic isolation structure

Wang Shiyu

(CollegeofMaterial&BuildingEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550000,China)

Taking spherical-type single-layer reticulated shell structure of Anyang Science & Technology Museum as the research target, the paper establishes 3D finite element model by applying finite element software Midas gen, comparatively analyzes the seismic isolation structure seismic response under the action of horizontal seismic and double-direction seismic, and studies seismic response peak value change conditions of extra-large-span single-layer reticulated shell structure under multi-dimensional seismic action.

reticulated shell, long-period seismic wave, seismic isolation structure, finite element model

1009-6825(2017)17-0048-02

2017-03-28

王世宇(1987- )，男,碩士,助教

TU352

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