超大跨度单层网壳隔震结构多维地震作用分析

王 世 宇

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550000)



超大跨度单层网壳隔震结构多维地震作用分析

王 世 宇

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550000)

以安阳市科技馆球面型单层联方型网壳结构为研究对象，利用有限元软件Midas gen建立三维有限元模型，对该结构进行水平地震及双向地震作用下隔震结构原结构地震响应对比分析，研究了隔震大跨度网结构多维地震作用下地震响应峰值的变化情况。

大跨度网壳，长周期地震波，隔震结构，有限元模型

0 引言

单层网壳结构作为大跨空间结构的一种常用结构形式，由于覆盖面积大，承载力高，受力合理，构造简单，在各类大、中跨度结构中应用较为广泛。此类结构跨度大及自身构造所具有的特殊性，使得其在地震作用下抗震性能表现较差。通过地震作用下大跨度空间结构震害调查分析，发现在强震作用下大跨度空间结构主要破坏形式有以下几种：下部支座支反力不足引起的破坏；支座支撑体系的破坏；上部大跨度空间结构的过大变形及整体失稳。

隔震技术以其良好的减震效果及经济性，已经得到工程界普遍认可，许多国家的大跨度网壳形式的结构在不断出现。我国于20世纪80年代开始接触隔震、减震理论并投入工程应用，但我国现有的隔震结构主要以多层建筑为主，针对超大跨度网壳结构的理论研究和应用较少。作为网壳结构主要应用形式的大型公共建筑在地震时承担着指挥抢险救灾与安置灾民的任务。因此对大跨度空间结构隔震技术研究和应用，对提高大型公共建筑的安全性具有重要意义。周颖等人[4]研究了多维地震动输入对大跨度空间隔震结构的地震响应的影响问题。杜永峰研究了双向地震作用下的串联大跨隔震结构的减震控制问题，并提出了序列最优控制算法。胡苇[3]对大跨度的单层网壳柱顶隔震结构与非隔震结构进行了不同地震波作用下非线性时程分析对比分析，分析了隔震技术采用的必要性。周福霖等人对大底盘多塔楼结构的隔震减震策略进行了研究。结果表明，隔震技术的采用对高层及大跨度空间结构地震响应起到明显的削弱作用。大量的研究表明大跨度空间结构隔震设计对结构抗震性能起到了较好的抗震效果。目前国内对已完成的隔震结构进行受力分析时主要采用单向地震作用下的地震响应分析，此类分析方法对多层隔震结构的地震响应分析精度较高，但对大跨度空间结构，由于结构自身的特殊性，仅进行单向地震作用下地震响应分析已不能满足要求，因此大跨度空间结构的双向地震作用下的响应分析计算是十分必要的。

本文以超大跨单层球面联方型网壳结构为背景，利用Midas gen软件建立三维有限元模型，分别对结构进行天津波(长周期地震波)和EI波(普通地震波)输入，运用时程分析法对超大跨度单层联方型球面网壳结构进行多维地震及单向地震作用下隔震结构和原结构的地震响应进行对比分析，为以后大跨度网壳结构的设计应用提供一定参考。

1 隔震支座的选取及有限元模型的建立

1.1 隔震支座的选取

文中选用Midas gen中提供的迟滞性铅芯橡胶支座隔震装置(LRB)，此类隔震支座受力性能稳定，外界因素(温度，湿度)对支座的影响较小，经济性好，制造构造简单等优点，使其在现有隔震结构中得到较为广泛的应用。此类隔震支座由6个弹簧构成，其中2个与剪切变形有关，其余4个分别与轴向、扭转、两个弯曲成分相关。文中选用郑州某建筑材料研究所开发的LRB600，力学性能参数如表1所示。

表1 支座力学性能参数

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 结构几何尺寸

安阳市科技馆采用单层联方型球面网壳结构，结构方案示意图如图1所示，网壳结构覆盖直径为80.00 m，矢高10 m，矢跨比为1/8。结构上部网壳部分网格划分设计采用浙江大学开发空间结构设计软件MSTCAD2008，结构采用网壳径向网格数为15个，最外层环向网格23个，网壳由外向内多次收格使结构中网格大小均匀。网壳中钢构件采用φ160×5，节点采用有一定抗弯刚度焊接球结点。屋架网壳结构周边分别通过刚性支座或隔震支座支承在环形混凝土支撑梁上，环形混凝土支撑梁放置在24根立柱上，整体结构模型如图1所示。

1.2.2 材料选取及单元划分

Midas gen模型钢构件均采用Q345钢，屈服强度为310 MPa，泊松比取0.3，密度为7 800 kg/m3。由于模型采用空间桁架模型进行分析会涉及到边界单元的问题，使得网壳结构的分析计算较为复杂，为简化结构计算复杂程度，网壳结构采用相对简单的空间刚架模型进行分析计算。模型中杆件均采用梁单元。由于结构构造复杂，包含杆件数量较多，梁单元采用一杆一单元原则进行划分。

2 有限元分析

2.1 结构动力特性分析

首先，对隔震设置前后结构的自振特性进行对比分析，由于LRB是一种非线性隔震支座。其刚度为与支座变形量相关的函数，模态分析是一种线性对并列出模态摄动分析，为了客观评价隔震支座对结构自振特性的影响，振型分析时采用表2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(隔震结构及原结构前10阶自振频率)。

表2 隔震前后结构自振频率对比

由模态分析的结果可知：经过隔震支座的设置，超大跨度联方型单层网壳结构自振频率相对于原结构有较大程度的降低，降低幅度在20%～50%之间，模态数越高降幅越小，说明隔震支座的设置可有效降低结构刚度，从而使结构自振周期远离地震波周期，起到有效减震作用；原结构自振频率分布谱较为密集，隔震支座设置后使得结构自振频率分布较为分散，表明隔震支座的设置可以使得结构的破坏模式变得较为独立，破坏模态变得简单有利于改善结构抗震设计难度。

2.2 网壳结构地震作用下地震响应分析

文中以安阳市科技馆为研究对象，分别将EI波和长周期天津波，以单向水平地震作用和多维地震作用(水平加竖向)形式输入隔震结构和原结构。根据抗震规范中安阳市抗震设防烈度(7度，0.15g)将地震波峰值加速度调整到55 cm/s2作为地震波激励输入结构，利用动力时程分析方法分别计算隔震结构和原结构在常遇地震作用下地震峰值响应分析(结构支反力、竖向位移峰值、支座位移峰值、杆件内力峰值)，计算结果如表3所示。

表3 隔震前后结构地震响应峰值对比

由表3分析可知：

1)超大跨度单层网壳结构在长周期地震波作用下隔震结构和原结构的地震响应峰值大于EI波作用下隔震结构和原结构的地震响应，但隔震后结构在长周期地震波作用下响应峰值增幅大于隔震前峰值响应增幅，表明隔震结构对长周期地震波反应更加敏感。

2)多维地震作用下网壳结构地震响应峰值大于单向水平地震作用下峰值响应，隔震前结构在多维地震作用下地震响应相对于单向水平作用下的增幅较大，说明隔震结构中隔震支座的设置可以减小多维地震作用对结构地震响应的影响。

3)经过隔震支座的设置，隔震结构在地震作用下最大竖向位移峰值，支反力峰值，支座位移峰值，杆件内力峰值分别降低为原结构的1/6,1/3,1/4,1/2；说明隔震结构的隔震支座的设置对于结构竖向位移峰值响应降低幅度最大，内力峰值响应降低幅值最小。

3 结语

本文以安阳市科技馆超大跨度单层网壳结构工程为研究对象，选用普通地震波EI波及长周期天津波，对单层网壳结构在水平地震作用及多维地震作用下隔震结构和原结构中杆件内力峰值、最大位移峰值、支反力峰值、支座位移峰值进行分析比较，通过分析得出以下结论：

1)原结构自振频率分布谱较为密集，隔震支座设置后使得结构自振频率分布较为分散，表明隔震支座的设置可以使得结构的破坏模式变得较为独立，破坏模态变得简单有利于改善结构抗震设计难度。

2)超大跨度单层网壳结构在长周期地震波作用下隔震结构和原结构的地震响应峰值大于EI波作用下隔震结构和原结构的地震响应，但隔震后结构在长周期地震波作用下响应峰值增幅大于隔震前峰值响应增幅，表明隔震结构对长周期地震波反应更加敏感。

3)多维地震作用下网壳结构地震响应峰值大于单向水平地震作用下峰值响应，隔震前结构在多维地震作用下地震响应相对于单向水平作用下的增幅较大，说明隔震结构中隔震支座的设置可以减小多维地震作用对结构地震响应的影响。

[1] 范 峰，沈世钊.凯威特单层网壳结构隔震分析[J].世界地震工程,2007(6):25-26.

[2] 郭海山.单层球面网壳结构动力稳定性及抗震性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文,2003.

[3] 胡 苇，任红梅，陈贻海.单层球面网壳结构柱顶隔震研究[J].防灾减灾学报,2016(6):32.

[4] 刘 璐，周 颖，胡 凯.双向地震动输入高层结构的响应研究[J].振动与冲击,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,硕士,助教

TU352

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