风雨操场建筑屋盖隔震效果分析

邵 将 乐风江 方希兵 季欢欢 齐志豪

（新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐830047）

0 引 言

将基础隔震技术应用于大跨屋盖结构，特别对于网架结构而言，因大跨屋盖结构的柱顶与屋盖之间通常设计成点式支承连接，使得柱子的两端以铰接的方式相连，这样结构的抗侧刚度会大幅度降低，当遇到地震或风荷载等横向荷载作用时会产生较大的结构侧向位移［1-3］。又因多数网架结构为单层空旷结构，往往又难以形成常规隔震设计具有的完整隔震层。在下部框架和上部网架之间直接将原网架支座改设为隔震支座，不仅使得下部结构柱的抗侧水平刚度明显大于隔震层的水平侧向刚度［4-5］，而且解决了大跨度屋盖结构进行基础隔震难且造价高的问题。本研究分析了某风雨操场网架屋盖隔震方案的抗震性能；采用有限元软件SAP2000建立模型对结构进行动力弹塑性时程分析，评估结构的隔震效果。

1 工程概况

新疆某中学风雨操场，下部为混凝土框架结构，柱顶标高+10.4 m，在+5.0 m 处有层间梁，上部屋盖结构采用正放四角锥的螺栓球网架，支座支承方式采用上弦周边多点支承，抗震设防类别为乙类，设防烈度为8 度（0.2g），第三组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.45 s，将上下部结构按整体结构取阻尼比值为0.03［6］。网架杆件、梁柱截面尺寸如表1所示。模型结构示意图如图1所示。

表1 主要结构构件截面尺寸及材料Table 1 Section size and material of main structural components

图1 模型结构示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of model structure（Unit：mm）

2 隔震结构设计

2.1 模型准确性校核

为验证模型导入SAP2000 后的准确性，对比SAP2000和YJK 非隔震模型的总质量、周期、基底剪力（设防烈度地震下）的差值，最大差值8.43%，满足相关参数偏差在10%以内，能够较为真实地反映结构基本特性。各变量差值=（|SAP2000－YJK|/YJK）×100%。

2.2 隔震支座的选择

采用屋盖隔震时，为使结构隔震支座满足隔震4 项基本特征竖向承载力、水平刚度、水平弹性恢复力和阻尼［7］，对隔震垫的型号及其布设方式进行多次筛选和试算，最终确定12 个LRB200 型铅芯橡胶支座，4 个LNR200 型天然橡胶支座。其隔震支座的压应力最大值为-5.52 MPa，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］规定在重力荷载代表值下乙类建筑的橡胶隔震支座压应力不应超过12 MPa 的要求，具有足够的安全储备。两种支座的具体参数见表2。

表2 隔震支座的参数Table 2 Parameters of isolation bearings

2.3 地震动的选择

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］规定实际强震记录的数量不应小于总数的2/3，考虑到计算时间，根据上述原则计算中共选择三条水平X向地震波Chi-Chi Taiwan、Irpinia Italy 和人工波（Ren），其时间间隔分别为0.004 s、0.0029 s、0.02 s。风雨操场建筑作为一种空间结构，特别是其网架部分，对竖向地震波的作用反应敏感。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］选出水平X向地震波，根据三个方向地震波的加速度峰值按水平X向∶水平Y向∶竖向=1∶0.85∶0.65 的比例，调整其他两个方向的地震波。三条时程反应谱与规范反应谱曲线对比如图2 所示。由图2 可见，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］规定：时程反应谱与规范反应谱曲线，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%，所选地震波满足规范要求。

图2 三条时程反应谱与规范反应谱曲线Fig.2 Three time history response spectrum and normalized response spectrum curves

3 设防地震下弹塑性分析

表3-表6 及图4 分别给出了非隔震和隔震结构在设防地震（中震）作用下周期、基底剪力、最大层间位移角、跨中网架最大挠度值和上部支座附近的网架上弦杆和网架腹杆轴力对比得出的隔震率，可以清楚看出屋盖隔震在地震波三个方向下具有明显隔震效果。网架杆件选取位置及编号如图3 所示。隔震前后基底剪力、最大层间位移角、跨中网架最大挠度值和网架杆件轴力的隔震率算法∶隔震率=（|隔震前－隔震后|/隔震前）×100%。

表3 反映了设防地震下隔震前后的前三周期对比。由表3 可知，隔震后的周期提高约2 倍，增加显著，可有效避开场地的特征周期。

图3 网架杆件选取位置及编号图Fig.3 Location and Number Diagram of space truss members

表3 设防地震下周期对比Table 3 Comparison of periodic under fortified earthquakes

表4 反映了设防地震下X、Y向隔震前后的基底剪力。由表4 可知，隔震后三条波下的基底剪力在X、Y向的隔震率均在50%左右，其中Irpinia波作用下Y向的隔震效果高于X向，而Chi-Chi、Ren 波作用下X向的隔震效果高于Y向。对下部结构的隔震效果显著。

表4 X、Y向地震作用下基底剪力Table 4 Base Shear Force under X-Y Earthquake

表5反映了设防地震下X、Y向隔震前后的最大水平层间位移角，分别为位于B轴和3轴的柱。由表5知，隔震后三条波下的层间位移角在X、Y向的隔震效果均在50%，其对下部框架隔震效果较好。

表6 反映了上部网架在设防地震下竖向隔震前后跨中网架最大挠度值。由表6 可知，隔震前后三条波下跨中网架最大挠度值在Z向的隔震效果减小4%左右，因为橡胶支座竖向具有弹性，导致跨中节点挠度变大，但是相差不是很明显。

表5 X、Y向地震作用下最大层间位移角Table 5 Maximum inter-story displacement angle under X-and Y-direction earthquakes

表6 竖向地震作用下跨中网架最大挠度Table 6 Maximum deflection of mid-span

图4 反映了设防地震下X、Y、Z向隔震前后对上部网架上弦杆件轴力、腹杆杆件轴力的隔震率，由图4（a）、（b）、（d）、（e）可知，隔震后三条波下的网架上弦杆件轴力和腹杆杆件轴力在X、Y向的隔震率均在 20%～88%，同时图 4（c）、（f）可以看出上弦杆件轴力和腹杆杆件轴力在Z向的隔震率均在3%～32%，结构基本呈现出平动。因此从分析结果来看隔震层设置在柱顶和网架之间可以有效地耗散地震能量，但水平方向的隔震效果要优于竖向地震。

4 罕遇地震作用弹塑性分析

4.1 材料本构关系

考虑箍筋对混凝土的约束作用，选取混凝土的应力-应变关系为 Mander 模型［9］，其中为约束混凝土的抗压强度为非约束混凝土的抗压强度，εco为未约混凝土峰值应变，εcc为约混凝土峰值应变，Ec为规范中未约束混凝土切线模量，Esec为混凝土的割线模量。钢材本构采用双线性弹塑性钢材本构，如图5所示。

4.2 性能水准目标及塑性铰定义

本模型选用非线性应力-应变（广义）关系骨架曲线，采用FEMA365 的规定，将构件的抗震性能分为4个水准，分别为充分运行（OP）、立即使用（IO）、生命安全（LS）和接近倒塌（CP）。默认塑性铰的本构关系如图6、图7所示。其中，AB 代表弹性阶段，BC 代表强化阶段，CD 代表卸载阶段，DC代表破坏阶段。

图4 网架杆件轴力隔震率Fig.4 Axial isolation ratio of space truss members

图5 材料的本构关系Fig.5 Constitutive relationship of materials

图6 弯矩和PMM铰Fig.6 Bending moment and PMM hinge

图7 轴力铰Fig.7 Axial force hinge

其中，对于混凝土结构梁、柱的弯矩铰和耦合轴力弯矩铰，C点比屈服荷载提高10%；对于上部网架钢轴力铰，C 点比屈服荷载提高3%；其他参数根据 FEMA356 表 5.7、表 6.7 取值［10-11］。在混凝土梁和柱构件的两端分别定义弯矩铰（M铰）和耦合的轴力铰（PMM 铰），塑性铰的长度取构件的0.1 倍和0.9 倍，网架杆件定义轴力铰（P 铰），取构件长度的0.5倍。

4.3 隔震层位移

根据《建筑抗震设计规范》［8］12.2.3条，隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移限值不得超过其有效直径的0.55 倍和内部橡胶总厚度的3.0 倍两者中的较小值，表7 给出了罕遇地震下隔震垫最大位移及平均值。

从表7 可以看出，罕遇地震下隔震垫的最大水平位移未超过110 mm，故满足《规范》［8］要求。

4.4 构件性能状态分析

由设防地震下弹塑性分析结果可知，对结构影响最大的地震波为Irpinia Italy 波，故选取Irpinia Italy 波对隔震前后结构进行罕遇地震下弹塑性分析，得出地震波三个方向包络值下整体结构塑性图，由图8 所示，紫红色表示构件处于B 至IO 阶段，蓝色表示构件处于IO 至LS 阶段，青色表示构件处于LS至CP阶段，其他颜色表示构件处于CP 以上阶段。罕遇地震时，隔震前结构在水平地震下，下部结构构件和上部网架杆件大部分均处于B至IO阶段且塑性铰较多，结构构件屈服，发生轻度破坏，位于结构中间横向边柱处于CP以上阶段，说明地震后构件发生较严重的破坏，接近倒塌的状态，几乎不能继续使用。而隔震后结构在水平地震动下，虽然下部结构也有部分构件处与B至IO 阶段且塑性铰较少，但是极少数构件仅仅发生屈服，发生轻度破坏，同时上部网架杆件均处于弹性状态没有出现塑性铰，说明该类隔震技术不仅显著减少了地震动对上部屋盖的响应，而且也有效降低了下部结构的损坏。在竖向地震动下，隔震前后的下部框架和上部网架杆件均处于弹性状态，对该类结构影响较小。结果显示，屋盖隔震布置充分发挥了隔震结构特有的抗震优越性。

表7 罕遇地震作用下隔震垫最大位移Table 7 Maximum displacement of isolation pad under rare earthquakes

图8 地震作用下整体结构构件性能状态Fig.8 Performance states of whole structure under earthquake loading

5 结 论

（1）设防地震作用下弹塑性分析结果表明，隔震层设置在柱顶和网架之间可以有效地耗散地震能量，减弱上部网架结构的地震响应，隔震效果较显著，对比而言，水平向的隔震效果要优于竖向。同时，由基底剪力和最大层间位移角的分析结果可知，屋盖隔震可以有效地减弱传入下部框架的部分地震能量，减弱下部框架的地震响应，其整体隔震效果相对较好。

（2）罕遇地震下弹塑性分析结果表明，通过比较隔震前后整体结构在地震作用下出现塑性铰的情况，得出屋盖隔震结构构件满足性能目标，网架杆件均处于弹性状态，少部分梁出现塑性铰并处于B 至IO 阶段，达到了强柱弱梁的抗震设计目的，其整体隔震效果相对较好。隔震垫最大位移在《建筑抗震设计规范》规定的范围内，满足隔震装置安全工作的要求。