大跨度空間結構地震反應分析綜述

侯芳園/華北理工大學

大跨度空間結構地震反應分析綜述

侯芳園/華北理工大學

現如今隨著科學技術的迅速發展，大跨空間結構的應用已經越來越廣泛。但由于大跨空間結構動力特性的復雜, 因此如何提升大跨空間結構的抗震可靠性和經濟適用性，一直是學術界和工程界非常關注的問題。所以發展和完善大跨空間結構的地震反應方法是十分重要的。基于大跨空間結構動力特性的基礎，一般采用振型分解反應譜法。

大跨空間結構；地震反應分析；振型分解法

一、引言

大跨空間結構在體育性建筑、紀念性建筑、文化性建筑等領域應用十分廣泛。而且大跨空間建筑具備重要的社會、政治、經濟功能，當地震發生時，經常作為受災群眾的臨時安置點和救助場所，所以保證大跨空間建筑在地震發生后的結構安全性和使用功能的連續性具有極其重要的意義。

二、國內外研究現狀

因此大跨結構的抗震分析具有極其重要的作用，1959 年，Housner 基于反應譜理論給出第一條設計譜，此后，采用振型疊加反應譜方法進行結構地震作用效應分析成為結構抗震分析的主導方法。對于多高層建筑而言，一般運用質量參與系數累積量判斷所考慮的振型數量是否達到要求。而對于頻率密集的大跨度空間結構質量參與系數準則并不完全適用[1]。怎樣選擇結構地震反應主振型，才能有效縮減振型數量，成為空間結構應用振型分解法時需要謹慎處理的重要環節．同時，使用振型分解反應譜方法分析大跨度空間結構地震反應時，還需要考慮諸如多點輸入效應、設計反應譜適用性等一些比較復雜的問題。

大跨度空間結構在多點地震輸入下的力學機理,國外眾多學者對此方面的運動規律、研究方法等做了大量的工作,也得出很多的重要結論。60年代Bonganoff,等人首先進行了行波效應對大跨度結構的研究。之后,Dibaj等[2]分析行波激勵下土壩反應影響推導了多點輸入的運動方程。Protti[3]研究了地震輸入由于距離和頻率的變化對于地震反應的影響。Har Cinadran[4]等川利用相干函數模型對一架懸索橋和兩架拱橋進行分析,同時與僅考慮行波效應和一致輸入效應進行分析,其結果表明一致地震輸入的結果是難以接受的。Soyluk,Dumnagolu[5]對韓國Jindo的大橋進行行波分析和隨機振動分析,結果表明視波速對結構的反應影響很大,一致輸入的隨機分析方法可能低估了結構的反應。

王前信、伍國馴等[6]根據海城地震和龍陵地震的記錄計算了拱式結構對地震多點輸入的響應。結果表明,多點輸入較一致輸入可能給出大很多的結果。項海帆[7]以天津永和橋為研究對象,討論了相位差效應對斜拉橋飄浮方案地震反應的影。結果表明,相位差效應對斜拉橋是有利的。陳幼平同樣以永和橋為實例,采用三維空間模型,分析結果同文獻[7]的分析結果存在較人差異。其分析結果認為行波效應可能使斜拉橋地震反應顯著增大。劉吉柱[8]以遼寧大洋河為工程背景,研究結果表明考慮行波效應時結構動力響應增加很多。陳厚群、侯順載等[9]對東江雙曲拱壩進行實際地震紀錄作為自由場的輸入,給出拱壩在多點激勵下的計算結果。

目前,國內外學者對大跨空間結構的振動控制研究主要集中在網殼結構上,然而,網架結構與網殼結構雖然都是大跨度空間網格結構,兩者動力反應特征是否相同、地震反應等問題都需要進一步研究,不過已有的網殼研究成果對網架結構的振動控制研究還是有著比較大的啟發意義。國內外對于大跨空間網殼結構的振動控制研究主要包括以下三個方面[10]:

（一）下部結構加設阻尼器

在柱間支撐的位置加設阻尼器。對于大跨網殼結構,由于層高和跨度較大,地震時其柱頂和柱底的相對變形比較大,這時可利用支撐間的阻尼器起耗能作用。

（二）設置耗能減震支座

這是一種非常有效的減震隔震措施。在網殼的柱頂間設置隔減震裝置,這種支座在減小外部激勵的同時也能耗散振動能量。由于構造簡單、耗能效果好,也應用于結構基礎隔減震上。

（三）屋蓋結構的耗能減震

此種方法是在網殼桿件中設置阻尼器或者將耗能桿件替一般桿件來耗能減震。一般來說網殼桿件在地震激勵下變形不是很大,耗能效果具有一定的局限性。同時,對于不同的激勵,網殼桿件的受力和變形情況不盡相同,為使加設的阻尼器能有效地減小各種地震激勵,加設位置的優化和分析是非常必要的,且具有一定的難度。

三、總結

在抗震設計性能的設計下，適用于大跨度空間結構性能化抗震設計的地震反應分析方法有待發展。在抗震設計背景下，大跨度空間結構地震反應分析方法仍然是研究的熱門方向。國內外學者和工程設計人員在現有計算手段的基礎上，已經對空間結構地震反應的特點和規律有了一定的了解和掌握，有很多學者還將應用較多且較為成熟的結構地震反應分析方法進行綜合分析，在此基礎上研究發展出新的求解方法。但現有的計算分析手段和設計方法仍滯后于工程實際應用需要，進一步發展簡單高效的大跨度空間結構地震反應分析方法仍然很有必要。

[1]LUO Y F, WANG L, GUO X N. Threshold value method and its application in dynamic analysis of spatial latticed structures[J]. Advances in Structural Engineering, 2012, 15(12):2215-2226.

[2]Dibaj D.Penzien J.Response of earth dams o traveling seismic waves[C].ASCE.1969,Vo1.95(2).

[3]Perotti F. Struetural response to non-stationay multiple-support random exeitation [J].EESD, 1990, 19; 513-527.

[4]Hariehnadrna R S,Haw wari A,Sweidan B N,response of longspan bridges to spatially Vaying ground motion [J].J Struct Eng,1996, 122(5) 476-484.

[5]Soyluk K, Dumanoglu A A.Comparison of asynchornous and stochastic dynamic responses of cable-stayed bridges[J],Eng Struct,2000,22: 4354-45.

[6]王前信,伍國馴,李云林拱式結構對地震多點輸入的反應地震工程與工程振動, 1984, 4(2):48-81.

[7]項海帆斜拉橋在行波作用下的地震反應[J].同濟大學學報,1983(2): 1-9.

[8]劉吉柱大跨度拱橋地震反應的行波效應分析[D].上海同濟大學博士學位論文,1987.

[9]陳厚群,侯順載,王均拱壩自由場地震輸入和反應[J].地震工程和工程振動,1990, 10(2): 53-64.

[10]徐趙東,李愛群大跨空間網殼結構減震控制的研究與發展[J].振動與沖擊,2005,3 (24): 59-62.