双层柱面网壳结构在BRB作用下的减震分析

谭燕秋，甄晓慧，史三元

(河北工程大学土木工程学院，河北邯郸056038)

近年来空间网壳结构以其优美的造型和合理的受力形态，成为优越的结构体系［1]。然而，网壳结构复杂，在动力荷载(如风和地震)作用下可能会造成结构的破坏或坍塌［2]。网壳结构减震控制方法主要有支座减震、网壳结构自身减震及下部结构减震。但各种减震体系都有一定的局限性，如在网壳结构中设置大量的阻尼器造价较高，并需要设置数量较多的隔震支座，且存在更换和维修的问题;在下部支撑结构中设置耗能支撑，有时会受到下部结构的限制［3－5]。对此，王秀丽提出采用防屈曲支撑(bucking－restrained brace，BRB)替代网壳结构部分杆件的做法，不仅网壳结构外观不会发生变化，还可以改善结构的受力模式，从而提高结构的抗震能力［4－7]。本文采用有限元软件SAP2000对跨度30 m，长度42 m的正放四角锥双层柱面网壳进行了模态分析及动力响应分析，并对比分析防屈曲支撑在结构中替换不同位置和数量杆件时的减震效果。

1 建立模型

建立正放四角锥双层柱面网壳结构，两纵边支承(图1)。网壳跨度30 m，长度42 m，厚度1.8 m，矢跨比0.25，网格划分为沿长度方向每3 m为1格，沿弧长方向按等弧长原则划分。作用于网壳上的面荷载P=1 kN/m2，网壳杆件尺寸为拱向杆φ127×6，其它杆φ89×6钢管，所有杆件均采用Q235－B无缝钢管，密度 ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=206 Gpa，泊松比λ =0.3，防屈曲支撑核心钢件屈服强度δ=100 Mpa。Ⅱ类场地土，抗震设防等级为8度，阻尼比ξ=0.02，计算长度30 s。

2 结构自振特性分析

模态分析主要用于确定结构的动力特性，通过模态分析的结果，可以了解结构的固有频率及振动形式［8－9]。由模态分析整理结构的前10阶模态自振周期(表1)及振型(限于篇幅仅给出前3阶振型，见图2)可以看出，双层柱面网壳自振频率非常密集，其第1振型为水平振型，第2振型为竖向振型，之后水平振型和竖向振型交错出现，水平振型出现较多。由此可知，该网壳动力响应主要受水平方向地震作用控制，其中又以侧向刚度较小的y向为主，而竖向地震作用也不可忽略。

表1 双层柱面网壳前10阶频率及周期Tab.1 Top ten －step frequency and the relevant period of double－layer cylindrical lattice shell

3 结构动力响应分析

3.1 网壳结构动力响应分析

选用EL－Centro地震波对正放四角锥双层柱面网壳结构进行动力响应分析，得到横向弦杆内力大于纵向弦杆和腹杆的内力，横向弦杆在跨中内力最大。因此，在本网壳结构中选取位移最大的节点231和轴力最大杆件679进行分析。

3.2 支撑布置位置不同时动力响应分析

动力响应分析表明，正放四角锥双层柱面网壳结构的横向弦杆变形最大，尤其是横向上弦杆，其次是横向下弦杆和腹杆。因此，应首先考虑将支撑布置在横向上弦杆和下弦杆，其次是纵向杆和腹杆。但由于BRB屈服强度较低，替代主要受力构件会对结构承载力有较大影响，不利于抗震［10]，所以支撑不宜布置在横向上弦杆跨中。基于此，设计4种布置方案对支撑布置位置不同时的减震效果进行研究(图3)。方案均采用相同数量(20根)的支撑进行等截面杆件替换，其中，方案1采用支撑替换横向上弦杆，方案2采用支撑替换横向下弦杆，方案3采用支撑替换纵向上弦杆，方案4采用支撑替换腹杆。

表2给出了4种方案在EL－Centro波作用下最大位移减震率及轴力减震率。可以看出，方案1、方案2、方案4在节点231处的最大位移和杆件679处的最大轴力都有所减小，说明这3种方案均达到了一定的减震效果。其中方案4的位移减震率和轴力减震率最大，达到了19.9%和15.8%;方案1和方案2次之，表明在腹杆受力较大处布置防屈曲支撑的减震效果优于横向上、下弦杆处。方案3的最大位移和轴力反而有所增大，没有达到减震效果，即此方案不合理。

表2 BRB在4种方案的减震效果比较Tab.2 Damping effect comparison in four kinds of schemes with BRB

表3 替换不同数量支撑的减震效果比较Tab.3 Damping effect comparison in different number with BRB

3.3 支撑布置数量不同时动力响应分析

为了对比支撑布置数量不同时结构的减震效果，在方案4基础上增设28根腹杆，布置形式仍以替换两边横向边跨的腹杆为主，并对其进行地震响应分析。表3给出了2种方案(即替换20根腹杆、替换48根腹杆)的最大位移减震率及轴力减震率。可以看出EL－Centro波作用下，2种替换方案均可以起到减震控制的作用，而替换48根腹杆比替换20根腹杆的减震效果更好一些。

4 结论

1)防屈曲支撑在双层柱面网壳中替换部分杆件对结构的减震有较好的控制效果。

2)不同的布置位置对双层柱面网壳结构有不同的减震效果，在腹杆受力较大处布置防屈曲支撑的减震效果优于横向上、下弦杆处，但并非所有的布置形式都会对双层柱面网壳有减震效果。

3)防屈曲支撑的数量对双层柱面网壳的减震效果有影响，替换不同数量的支撑对双层柱面网壳结构减震效果也不相同。

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