譚燕秋，甄曉慧，史三元

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

近年來空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的造型和合理的受力形態(tài)，成為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系［1]。然而，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動(dòng)力荷載(如風(fēng)和地震)作用下可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的破壞或坍塌［2]。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震控制方法主要有支座減震、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自身減震及下部結(jié)構(gòu)減震。但各種減震體系都有一定的局限性，如在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中設(shè)置大量的阻尼器造價(jià)較高，并需要設(shè)置數(shù)量較多的隔震支座，且存在更換和維修的問題;在下部支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能支撐，有時(shí)會(huì)受到下部結(jié)構(gòu)的限制［3－5]。對(duì)此，王秀麗提出采用防屈曲支撐(bucking－restrained brace，BRB)替代網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)部分桿件的做法，不僅網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)外觀不會(huì)發(fā)生變化，還可以改善結(jié)構(gòu)的受力模式，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力［4－7]。本文采用有限元軟件SAP2000對(duì)跨度30 m，長(zhǎng)度42 m的正放四角錐雙層柱面網(wǎng)殼進(jìn)行了模態(tài)分析及動(dòng)力響應(yīng)分析，并對(duì)比分析防屈曲支撐在結(jié)構(gòu)中替換不同位置和數(shù)量桿件時(shí)的減震效果。

1 建立模型

建立正放四角錐雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，兩縱邊支承(圖1)。網(wǎng)殼跨度30 m，長(zhǎng)度42 m，厚度1.8 m，矢跨比0.25，網(wǎng)格劃分為沿長(zhǎng)度方向每3 m為1格，沿弧長(zhǎng)方向按等弧長(zhǎng)原則劃分。作用于網(wǎng)殼上的面荷載P=1 kN/m2，網(wǎng)殼桿件尺寸為拱向桿φ127×6，其它桿φ89×6鋼管，所有桿件均采用Q235－B無縫鋼管，密度 ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 Gpa，泊松比λ =0.3，防屈曲支撐核心鋼件屈服強(qiáng)度δ=100 Mpa。Ⅱ類場(chǎng)地土，抗震設(shè)防等級(jí)為8度，阻尼比ξ=0.02，計(jì)算長(zhǎng)度30 s。

2 結(jié)構(gòu)自振特性分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，通過模態(tài)分析的結(jié)果，可以了解結(jié)構(gòu)的固有頻率及振動(dòng)形式［8－9]。由模態(tài)分析整理結(jié)構(gòu)的前10階模態(tài)自振周期(表1)及振型(限于篇幅僅給出前3階振型，見圖2)可以看出，雙層柱面網(wǎng)殼自振頻率非常密集，其第1振型為水平振型，第2振型為豎向振型，之后水平振型和豎向振型交錯(cuò)出現(xiàn)，水平振型出現(xiàn)較多。由此可知，該網(wǎng)殼動(dòng)力響應(yīng)主要受水平方向地震作用控制，其中又以側(cè)向剛度較小的y向?yàn)橹?，而豎向地震作用也不可忽略。

表1 雙層柱面網(wǎng)殼前10階頻率及周期Tab.1 Top ten －step frequency and the relevant period of double－layer cylindrical lattice shell

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

選用EL－Centro地震波對(duì)正放四角錐雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得到橫向弦桿內(nèi)力大于縱向弦桿和腹桿的內(nèi)力，橫向弦桿在跨中內(nèi)力最大。因此，在本網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中選取位移最大的節(jié)點(diǎn)231和軸力最大桿件679進(jìn)行分析。

3.2 支撐布置位置不同時(shí)動(dòng)力響應(yīng)分析

動(dòng)力響應(yīng)分析表明，正放四角錐雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的橫向弦桿變形最大，尤其是橫向上弦桿，其次是橫向下弦桿和腹桿。因此，應(yīng)首先考慮將支撐布置在橫向上弦桿和下弦桿，其次是縱向桿和腹桿。但由于BRB屈服強(qiáng)度較低，替代主要受力構(gòu)件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有較大影響，不利于抗震［10]，所以支撐不宜布置在橫向上弦桿跨中?；诖耍O(shè)計(jì)4種布置方案對(duì)支撐布置位置不同時(shí)的減震效果進(jìn)行研究(圖3)。方案均采用相同數(shù)量(20根)的支撐進(jìn)行等截面桿件替換，其中，方案1采用支撐替換橫向上弦桿，方案2采用支撐替換橫向下弦桿，方案3采用支撐替換縱向上弦桿，方案4采用支撐替換腹桿。

表2給出了4種方案在EL－Centro波作用下最大位移減震率及軸力減震率?？梢钥闯觯桨?、方案2、方案4在節(jié)點(diǎn)231處的最大位移和桿件679處的最大軸力都有所減小，說明這3種方案均達(dá)到了一定的減震效果。其中方案4的位移減震率和軸力減震率最大，達(dá)到了19.9%和15.8%;方案1和方案2次之，表明在腹桿受力較大處布置防屈曲支撐的減震效果優(yōu)于橫向上、下弦桿處。方案3的最大位移和軸力反而有所增大，沒有達(dá)到減震效果，即此方案不合理。

表2 BRB在4種方案的減震效果比較Tab.2 Damping effect comparison in four kinds of schemes with BRB

表3 替換不同數(shù)量支撐的減震效果比較Tab.3 Damping effect comparison in different number with BRB

3.3 支撐布置數(shù)量不同時(shí)動(dòng)力響應(yīng)分析

為了對(duì)比支撐布置數(shù)量不同時(shí)結(jié)構(gòu)的減震效果，在方案4基礎(chǔ)上增設(shè)28根腹桿，布置形式仍以替換兩邊橫向邊跨的腹桿為主，并對(duì)其進(jìn)行地震響應(yīng)分析。表3給出了2種方案(即替換20根腹桿、替換48根腹桿)的最大位移減震率及軸力減震率?？梢钥闯鯡L－Centro波作用下，2種替換方案均可以起到減震控制的作用，而替換48根腹桿比替換20根腹桿的減震效果更好一些。

4 結(jié)論

1)防屈曲支撐在雙層柱面網(wǎng)殼中替換部分桿件對(duì)結(jié)構(gòu)的減震有較好的控制效果。

2)不同的布置位置對(duì)雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有不同的減震效果，在腹桿受力較大處布置防屈曲支撐的減震效果優(yōu)于橫向上、下弦桿處，但并非所有的布置形式都會(huì)對(duì)雙層柱面網(wǎng)殼有減震效果。

3)防屈曲支撐的數(shù)量對(duì)雙層柱面網(wǎng)殼的減震效果有影響，替換不同數(shù)量的支撐對(duì)雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震效果也不相同。

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