单层球面网壳结构的柱顶隔震研究

胡 苇，任红梅，陈贻辉，翟永梅

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.上海市浦东新区建设工程设计文件审查事务中心，上海 201204；3.上海中建建筑设计院有限公司，上海 200122；4.同济大学 上海防灾救灾研究所，上海200092）



单层球面网壳结构的柱顶隔震研究

胡 苇1，任红梅2，陈贻辉3，翟永梅4

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.上海市浦东新区建设工程设计文件审查事务中心，上海 201204；3.上海中建建筑设计院有限公司，上海 200122；4.同济大学 上海防灾救灾研究所，上海200092）

摘要：以带下部混凝土支承结构的单层联方型球面网壳为研究对象，针对工程实际中支承刚度过强的情形，提出了柱顶隔震的方法，从而改善了整体结构的抗震性能。非线性时程分析表明，多遇地震作用下LRB能在一定程度上降低支座反力，且使支座反力分布趋于均匀，降低了支座设计的要求；罕遇地震作用下LRB支座基本进入塑性状态，支座反力维持在屈服力附近，与原结构相比有大幅度的降低，支座滞回曲线饱满，同时上部网壳的塑性发展程度大大减轻，基本保持为弹性，取得了良好的减震效果。

关键词：柱顶隔震；单层网壳结构；非线性时程分析；减震

0　引言

单层网壳结构是空间结构的重要形式之一，它兼具杆系结构和薄壳结构的特点，造型优美、受力合理、构造简单，在各类大中跨度建筑中应用广泛[1]。我国属于地震多发国家，汶川地震中部分空间结构表现出了不同程度的震害现象[2,3]，主要破坏形式有下部支承结构的破坏、支座连接处的破坏、上部钢结构屋盖的过度塑性变形以及结构整体垮塌等[4]。在此背景下研究网壳结构的抗震性能及减隔震措施具有重要意义。

隔震技术是一种能够有效阻隔地震作用向上部传输、降低结构地震反应的技术手段，其基本原理主要有两点：一是通过延长结构周期来降低地震作用；二是通过附加阻尼来耗散地震能量，从而将结构位移控制在容许的范围内[5～7]。早期的隔震技术主要应用于多层建筑基础和桥梁结构的支座处。目前，随着结构振动控制技术的发展以及大型工程项目对于结构抗震性能需求的不断提升，该方法在大跨空间结构中也逐步获得应用。上海国际赛车场新闻中心屋盖结构采用了高位隔震，其支座为一种新型复合隔震支座，由1个盆式支座和4个普通橡胶支座组合而成，有效地释放了温度应力并显著减小结构的地震反应[7]；土耳其的Ataturk机场候机大厅金字塔形屋盖结构采用了柱顶摩擦摆隔震方案[8]。

在工程设计中，为了简化计算，常常将屋盖结构以简支边界单独进行分析，而忽视了屋盖与下部支承结构之间的动力相互作用。事实上，下部支承结构的存在及其刚度的不同将对整体结构的抗震性能产生重要影响，尤其是当支承结构的刚度与上部屋盖相比过强时，结构的地震放大效应会十分显著，从而大幅降低上部结构的失效极限荷载。在工程实际中，为了满足建筑功能要求，当支承结构中引入较多的空间框架、楼板或一定数量的剪力墙时，其支承刚度一般会比较大，为了改善此类“强支承”结构的抗震性能，本文以带下部混凝土支承的单层联方型球面网壳为研究对象，将其柱顶连接处的普通球形钢支座替换为具有隔震功能的铅芯橡胶支座，并对隔震前后结构的抗震性能进行了对比分析。

1　网壳—支承结构整体模型

本文所分析的屋盖结构为单层联方型球面网壳（图1a），其跨度为40m，矢跨比为1/5，网壳杆件采用圆钢管，材料为Q235B钢材，环向杆件截面尺寸为Φ132×4、径向及斜向杆件截面尺寸为Φ116×4。下部支承结构采用圆柱—环梁体系，柱高度为10.0m，为了模拟“强支承刚度”的条件，柱截面直径设置为1.5m，环梁采用0.6m×0.6m的矩形截面。整个结构共设置柱子24根，梁、柱混凝土强度等级为C30。笔者通过ABAQUS精细化有限元分析发现，当柱截面直径为1.5m时，整个地震动作用时域范围内下部支承结构混凝土的损伤因子很小，为了简化起见，在本文后续的分析中将混凝土材料设置为弹性属性。上部网壳各杆件之间采用焊接球节点，为刚性连接；网壳与下部支承结构之间在每根柱顶的环梁处采用普通球形钢支座或隔震支座连接，整体结构模型如图1（b）所示。

2　隔震装置的选择

本文选用铅芯橡胶支座（Lead Rubber Bearing，LRB）作为隔震装置。铅具有良好的力学特性，它的屈服剪应力较低，仅为10MPa 左右，初始剪切刚度较高，剪切模量约为130MPa，性能为理想弹塑性体。铅芯对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能，同时高纯度的铅（99.99％）也较易得到，这就使得其力学性能比较可靠。本文选用无锡某建筑新材料有限公司生产的FUYO铅芯橡胶支座系列产品LRB600[9]，其力学性能参数如表1所示。

表1　支座的力学性能参数

因此，本文进行对比分析的两种结构模型为：原结构——柱顶采用普通钢支座，即铰接连接；隔震结构——柱顶采用LRB支座连接。

LRB的分析模型采用SAP2000中的Rubber Isolator单元①无锡某建筑新材料有限公司.FUYO橡胶隔震支座标准产品设计资料，其力学模型如图2所示，它由六个内部的“弹簧”组成，分别代表轴向、剪切、弯曲和扭转的分量。对每一个变形的自由度，可独立地指定线性或非线性的行为，其塑性属性基于Wen（1976）和Park、Wen和Ang（1986）提出的滞回行为。

3　动力特性分析

首先，对隔震前后结构的自振频率进行比较。由于LRB是一种非线性元件，其刚度是支座变形量的函数，而模态分析是一种线性摄动分析，为了客观评价隔震装置对结构动力特性的影响，振型分析时LRB的参数取表1中的等效刚度和等效阻尼比。自振频率计算结果如表2所示，可以看出隔震结构的自振频率较原结构有明显的降低。

表2　隔震前后结构自振频率对比

4　多遇地震响应分析

将El Centro波和Taft波的加速度峰值调整到70gal（多遇地震），沿三个方向输入结构，进行非线性时程反应分析。图3（a、b）给出了原结构和隔震结构柱顶全部24个支座处作用反力包络值的分布曲线。可以看出，对于原结构，支座最大反力的分布是十分不均匀的，由于地震作用方向的不确定性，实际设计中又要取最不利支座处的反力作为设计依据，因此支座的设计要求往往比较高，地震作用下也容易成为薄弱环节；而对于隔震结构，其支座反力分布相对比较平缓，反力数值也比原结构要低，这既有利于支座的设计也降低了传递到上部网壳结构的地震作用。以典型支座6号支座（图3）为例。

在El Centro波和Taft波作用下，原结构X方向支座最大反力分别为32.11KN和29.01KN，隔震后该支座X方向的反力最大值分别降低到18.45KN和18.59KN，降幅达42.5％和35.9％，图4（c）给出了原结构和隔震结构中6号支座X方向作用反力时程曲线的对比，可见隔震后结构反应明显降低。

多遇地震作用下，所有LRB支座的反力均未达到其屈服力，因此支座实际上仍处于初始弹性状态，图5给出了典型的6号支座的滞回曲线，可以看出多遇地震下LRB并没有产生滞回耗能，其隔震作用是通过延长结构周期来实现的。El Centro波和Taft波作用下所有支座水平方向最大位移包络值分别为3.07mm、3.26mm，这一变形量是在弹性形变范围内的，能够保证多遇地震及风荷载作用下结构的正常使用。

5　罕遇地震响应分析

将地震波的加速度峰值调整到规范中规定的罕遇地震的数值，即400gal，并沿三个方向输入结构基底，进行非线性时程反应分析。与多遇地震相比，罕遇地震作用下结构的反应规律基本类似，但由于支座大部分进入屈服状态产生了塑性耗能，罕遇地震下隔震结构表现出了更好的减震效果。图6（a、b）给出了原结构和隔震结构柱顶全部24个支座处作用反力包络值的分布曲线。可以看出，罕遇地震下原结构的支座反力是相当大的，且分布很不均匀，以支座6为例，在El Centro波作用下两向水平作用力的合力高达188KN，这使得整体结构在强震作用下容易由于支座过早的破坏而产生失效；而隔震结构的支座反力基本位于屈服力附近，大大降低了传递到上部网壳的地震作用。图6（c）给出了原结构和隔震结构中6号支座X方向作用反力时程曲线的对比，可以看出隔震效果是非常明显的。

图7给出了典型的6号支座X方向的滞回曲线，可以看出罕遇地震作用下LRB的滞回曲线饱满，耗能效果显著。两条地震波作用下支座X方向的最大位移分别为20.5mm和18.0mm，均小于支座的最大容许变形量（据产品规格限界变形400％）。

图8给出了隔震前后上部网壳塑性发展情况的对比图，可以看出原结构在罕遇地震作用下塑性发展比较严重；而隔震结构基本保持为弹性，仅在Taft波作用下最外侧的几根环向杆件产生了塑性变形。

6　结论

隔震前后结构的模态分析表明，LRB能够有效延长结构的自振周期，从而避开地震动的卓越周期，减小上部结构的地震作用。时程分析表明:（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达到了42.5％和35.9％，且支座反力分布趋于均匀，降低了支座设计的要求；（2）罕遇地震作用下LRB支座基本进入塑性状态，支座反力维持在屈服力附近，与原结构相比有大幅度的降低；支座滞回曲线饱满，耗能效果显著；同时上部网壳的塑性发展程度大大减轻，基本保持为弹性；（3）总体来看，对于强支承结构，本章采用的柱顶隔震方法是一种由“抗”到“消”的新思路，有效提高了整体结构的抗震性能，取得了良好的效果。

参考文献：

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[2]刘伟鹏,邓开国.空间结构“5.12”汶川地震震害初步调查[J].四川建筑,2009，29(4): 112-113.

[3]邓开国.汶川大地震空间结构震害的调查[A].中国钢结构协会空间结构分会空间结构简讯,2008，3（2）.

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[9]Constantinou M,Whittaker A S,Velivasakis Emmanuel.2001.Seismic evaluation and retrofit of the Ataturk international airport terminal building[C]Proceedings of the 2001 Structural Congress and Exposition.Reton,Virginia: Structural Engineering Institute of ASCE.

[10]北京金土木软件技术有限公司.S AP2000中文版使用指南（第二版）[M].北京: 人民交通出版社，2012.

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

作者简介：胡苇（1990-），男，山东省日照市人，同济大学土木工程学院，硕士研究所在读，现主要从事城市综合防灾和工程抗震的研究工作。

收稿日期：2015-10-20

修订日期：2015-11-25

基金项目：国家科技支撑计划课题（2012BAJ11B01）

中图分类号：P315.9

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.002

文章编号：1674-8565（2016）01-0008-07