抗震支座在大跨度空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

游新宏 劉 浩 姜 鑫

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

在新世紀(jì)下，大跨度空間基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出越來越多的優(yōu)勢(shì)，如造型美、受力均勻、靈活多樣、工廠化水平高等，現(xiàn)已發(fā)展成為一種常用的空間結(jié)構(gòu)。但我國很多地區(qū)都是地震區(qū)，而且空間結(jié)構(gòu)如果跨度太大，往往需要注意地震方面的影響，盡量減小大跨結(jié)構(gòu)的具體地震反應(yīng)。目前，伴隨人們不斷深入研究結(jié)構(gòu)減震技術(shù)，其中的抗震支座也越來越廣泛地被推廣應(yīng)用在大跨空間基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，從而有效解決了地震問題。

1 有關(guān)概述

1.1 大跨度空間結(jié)構(gòu)

伴隨物質(zhì)與精神文明的飛快發(fā)展，人類也需要不斷增大覆蓋空間，來進(jìn)行社會(huì)及生產(chǎn)活動(dòng)。而在這種結(jié)構(gòu)中，還應(yīng)具有最小的支撐干擾和最大的空間。但普通平面結(jié)構(gòu)在形式的限制下，難以跨越可以滿足社會(huì)發(fā)展需要的更大空間。據(jù)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，三維空間且受力均勻、空間狀態(tài)好的結(jié)構(gòu)，便可以達(dá)到大跨度結(jié)構(gòu)方面的要求。這種大跨度空間形式的建筑現(xiàn)已在全球范圍飛快發(fā)展，其中的基本單元主要包含三棱體、三角錐、截頭四角錐、正方體等。通過基本單元，可以形成平面三邊形、六邊形、四邊形、圓形等。這種大跨度結(jié)構(gòu)工業(yè)水平高、輕質(zhì)、穩(wěn)定、美觀等，故此被廣泛地應(yīng)用在體育館、大型文藝建筑等當(dāng)中。此外，在大跨度空間中，還具有相當(dāng)豐富多彩的空間結(jié)構(gòu)型式，而且結(jié)構(gòu)形體和整體受力性能也緊密相聯(lián)，兼具薄殼和網(wǎng)架的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還在持續(xù)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)型式。其中的網(wǎng)殼又存在單層及雙層這兩種網(wǎng)殼，在施工建設(shè)中，可以大量使用木材、鋼、鋼筋混凝土等建筑材料。

1.2 抗震支座

作為應(yīng)用十分廣泛的一種新型結(jié)構(gòu)，大跨度空間基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的造型相當(dāng)美觀且質(zhì)輕、剛度大，備受建筑師及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的一致青睞。但這種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)卻形式豐富多樣、整體造型千變?nèi)f化，而涉及大量的桿件及節(jié)點(diǎn)等，整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震也并不遵循一般的規(guī)律，所以該領(lǐng)域的抗震支座引起了廣泛的關(guān)注?？拐鹬ё褪窃诮Y(jié)構(gòu)某底部位置或者中間，設(shè)置必要的減震或者隔震設(shè)備，來有效延長整個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際自振周期，進(jìn)而吸收大量的地震能量，減小上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震效應(yīng)。

在大跨度結(jié)構(gòu)中，抗震支座能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)、加強(qiáng)承載能力，充分支撐上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的各種荷載，從而滿足轉(zhuǎn)動(dòng)、傳遞、移動(dòng)的要求，安全地集中反力合力。因?yàn)榭拐鹬ё軌虺惺芨鞣N力量，如拉、壓、剪力等，所以在地震力的強(qiáng)作用下，如果上、下結(jié)構(gòu)未遭到破壞，落梁、落架等嚴(yán)重后果就不會(huì)出現(xiàn)。這種支座尤其適合地震烈度高地區(qū)的設(shè)防，可抗9度地震。此外，這種抗震支座還具有很巨大的靜剛度，在大跨度的巨大自重和質(zhì)量慣性力的綜合作用力下，抗震支座只是出現(xiàn)很微小的形變，可以安全、可靠地保持平順度。在這種抗震支座中，一般會(huì)利用球面?zhèn)髁Ψ绞剑沂芰γ娣e相當(dāng)大，并且經(jīng)由諸多種材料科學(xué)地組合而成，大幅縮小了體積、降低了高度，不僅質(zhì)輕而且安裝便捷、總造價(jià)不高?？傮w上看，抗震支座耐久性優(yōu)異，支座可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)等，具有很大的適用范圍，特別是地震烈度很高的地方。

2 在大跨度空間結(jié)構(gòu)中實(shí)踐應(yīng)用抗震支座

2.1 工程實(shí)際概況

某體育館屬于一種功能相當(dāng)豐富的體育館，主要存在訓(xùn)練館、主場(chǎng)館、大眾館、配套設(shè)施等組成部分。這種體育館建筑主要用于體育比賽，并且兼作文藝匯演、大型展覽、多功能會(huì)議等。

在體育館中，主場(chǎng)館的跨度為160m，訓(xùn)練館的主桁架跨度為150m，大眾館具有140m的鋼屋拱形蓋，相應(yīng)的矢高大小依次是24m，16m，10m。其中的上下弦分別通過兩根圓鋼管一起組合而成。在水平鋼環(huán)粱中，箱形梁的高為1.2m，實(shí)際寬為0.56m，相應(yīng)的壁厚20～40mm。在大跨度空間的主桁架與結(jié)構(gòu)環(huán)梁間依次存在78，66，50榀數(shù)量的輻射基礎(chǔ)桁架，用于增強(qiáng)主拱和環(huán)梁之間的聯(lián)系強(qiáng)度。而三大輻射桁架依次具有35m，55m，15m的最大跨度。在空間輻射桁架上，存在主、次檁條結(jié)構(gòu)，并且上面還覆蓋著一個(gè)太陽板。從水平鋼環(huán)梁上看，依次經(jīng)由44個(gè)，54個(gè)，32個(gè)結(jié)構(gòu)抗震支座，來連接平臺(tái)上安裝的鋼筋混凝土梁，在整個(gè)鋼屋蓋下，設(shè)置有訓(xùn)練館、主場(chǎng)館、大眾館這些部分。

2.2 分布支座的情況

(1)支座分布的基本原則 1)達(dá)到承載力方面的要求，并且預(yù)留足夠大的安全儲(chǔ)備空間；2)能夠承受得住拉、壓、剪等之類的力，在隨機(jī)出現(xiàn)的巨大地震力綜合作用下，可以保持較顯著的強(qiáng)度及優(yōu)異的延性；3)具備相當(dāng)顯著的整體減震教果，并且支座能夠達(dá)到水平阻尼、剛度等方面的性能要求；4)達(dá)到正常使用要求下的抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)需要。

(2)支座分布 在本體育館中，分布著一定數(shù)量的抗震支座。其中主場(chǎng)館內(nèi)部分布支座的形式為單軸對(duì)稱方式，也就是繞長軸相互對(duì)稱。而在大眾館、訓(xùn)練館內(nèi)部，主要繞長、短軸進(jìn)行對(duì)稱分布。

2.3 基本的支座性能

(1)性能情況 在本體育館工程中，一共有用到六種類型的抗震支座，且整體承載力、剛度、容許位移均滿足要求。在這種支座當(dāng)中，在水平方向的承載力大約為41%～56%的豎向承載力。在整個(gè)支座里面，出現(xiàn)的徑向位移，在向外、向內(nèi)、切向均不盡一樣。在抗震支座中，剪切剛度往往相當(dāng)大，并且遠(yuǎn)大于夾層橡膠類型的隔震支座，同時(shí)支座摩擦系數(shù)也相當(dāng)小。

(2)滯回變化曲線 在本體育館工程中，據(jù)實(shí)驗(yàn)滯回曲線圖顯示，整個(gè)滯回環(huán)相對(duì)較瘦，進(jìn)而說明阻尼并不大，也就是整體抗震性能十分理想。

(3)基本構(gòu)造 在本體育館工程中，抗震支座具有球芯、蓋板、橡膠密封圈等構(gòu)造部分。在安裝抗震支座時(shí)，需要通過螺栓結(jié)構(gòu)，緊密連接支座底座和環(huán)粱(材質(zhì)為鋼筋混凝土)上設(shè)置的預(yù)埋鋼板，并且通過螺栓結(jié)構(gòu)，來緊密連接蓋板和支座上部存在的鋼環(huán)粱。

2.4 工程結(jié)果分析

針對(duì)本體育館工程，借助國外最新研發(fā)的SAP2000分析程序來展開非線性分析工作。根據(jù)彈性來綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、支座的基本力學(xué)性能。同時(shí)，沿著徑向創(chuàng)建起等效類型的線性模型，并且沿著切向方向，設(shè)計(jì)滑動(dòng)支座。相較于固定支座，大眾館、訓(xùn)練館、主場(chǎng)館中安裝的主桁架最大應(yīng)力位置(也就是桁架頂部)的上、下弦桿，在體育館滿載時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)力比依次是：0.65∶0.68,0.72∶0.74,0.75∶0.78。

2.5 抗震支座特點(diǎn)總結(jié)分析

在本體育館工程中，抗震支座的整體特點(diǎn)主要涉及以下方面。①構(gòu)造連接簡(jiǎn)單，施工安裝起來相當(dāng)便捷；②與橡膠隔震類型的支座相比，在上部結(jié)構(gòu)方面并沒有很大的剛度要求；③支座隔震能力和消能效果十分理想，相較于固定類型的支座，能夠降低結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力；④這種抗震支座，分別在不同方向的力具有不一樣的性能，所以計(jì)算顯得有一定的復(fù)雜度；⑤與橡膠類型的隔震支座相比，支座具有更小的容許位移。

3 結(jié) 語

綜上所述，現(xiàn)代抗震支座往往構(gòu)造簡(jiǎn)單單一、安裝便捷、造價(jià)不高、可大量節(jié)約材料等，所以在大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。尤其是在國內(nèi)很多地方都是地震區(qū)，所以，針對(duì)大跨度空間基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用，應(yīng)注意所用抗震支座的實(shí)際性能分析，積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷優(yōu)化支座結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并以此來推動(dòng)建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。