胡 葦，任紅梅，陳貽輝，翟永梅

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海市浦東新區(qū)建設(shè)工程設(shè)計(jì)文件審查事務(wù)中心，上海 201204；3.上海中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200122；4.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海200092）

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單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的柱頂隔震研究

胡 葦1，任紅梅2，陳貽輝3，翟永梅4

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海市浦東新區(qū)建設(shè)工程設(shè)計(jì)文件審查事務(wù)中心，上海 201204；3.上海中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200122；4.同濟(jì)大學(xué) 上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海200092）

摘要：以帶下部混凝土支承結(jié)構(gòu)的單層聯(lián)方型球面網(wǎng)殼為研究對(duì)象，針對(duì)工程實(shí)際中支承剛度過(guò)強(qiáng)的情形，提出了柱頂隔震的方法，從而改善了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。非線性時(shí)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，且使支座反力分布趨于均勻，降低了支座設(shè)計(jì)的要求；罕遇地震作用下LRB支座基本進(jìn)入塑性狀態(tài)，支座反力維持在屈服力附近，與原結(jié)構(gòu)相比有大幅度的降低，支座滯回曲線飽滿，同時(shí)上部網(wǎng)殼的塑性發(fā)展程度大大減輕，基本保持為彈性，取得了良好的減震效果。

關(guān)鍵詞：柱頂隔震；單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；非線性時(shí)程分析；減震

0　引言

單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的重要形式之一，它兼具桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，造型優(yōu)美、受力合理、構(gòu)造簡(jiǎn)單，在各類(lèi)大中跨度建筑中應(yīng)用廣泛[1]。我國(guó)屬于地震多發(fā)國(guó)家，汶川地震中部分空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不同程度的震害現(xiàn)象[2,3]，主要破壞形式有下部支承結(jié)構(gòu)的破壞、支座連接處的破壞、上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的過(guò)度塑性變形以及結(jié)構(gòu)整體垮塌等[4]。在此背景下研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震性能及減隔震措施具有重要意義。

隔震技術(shù)是一種能夠有效阻隔地震作用向上部傳輸、降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的技術(shù)手段，其基本原理主要有兩點(diǎn)：一是通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期來(lái)降低地震作用；二是通過(guò)附加阻尼來(lái)耗散地震能量，從而將結(jié)構(gòu)位移控制在容許的范圍內(nèi)[5～7]。早期的隔震技術(shù)主要應(yīng)用于多層建筑基礎(chǔ)和橋梁結(jié)構(gòu)的支座處。目前，隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及大型工程項(xiàng)目對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能需求的不斷提升，該方法在大跨空間結(jié)構(gòu)中也逐步獲得應(yīng)用。上海國(guó)際賽車(chē)場(chǎng)新聞中心屋蓋結(jié)構(gòu)采用了高位隔震，其支座為一種新型復(fù)合隔震支座，由1個(gè)盆式支座和4個(gè)普通橡膠支座組合而成，有效地釋放了溫度應(yīng)力并顯著減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[7]；土耳其的Ataturk機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳金字塔形屋蓋結(jié)構(gòu)采用了柱頂摩擦擺隔震方案[8]。

在工程設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常常將屋蓋結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)支邊界單獨(dú)進(jìn)行分析，而忽視了屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用。事實(shí)上，下部支承結(jié)構(gòu)的存在及其剛度的不同將對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生重要影響，尤其是當(dāng)支承結(jié)構(gòu)的剛度與上部屋蓋相比過(guò)強(qiáng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震放大效應(yīng)會(huì)十分顯著，從而大幅降低上部結(jié)構(gòu)的失效極限荷載。在工程實(shí)際中，為了滿足建筑功能要求，當(dāng)支承結(jié)構(gòu)中引入較多的空間框架、樓板或一定數(shù)量的剪力墻時(shí)，其支承剛度一般會(huì)比較大，為了改善此類(lèi)“強(qiáng)支承”結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文以帶下部混凝土支承的單層聯(lián)方型球面網(wǎng)殼為研究對(duì)象，將其柱頂連接處的普通球形鋼支座替換為具有隔震功能的鉛芯橡膠支座，并對(duì)隔震前后結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1　網(wǎng)殼—支承結(jié)構(gòu)整體模型

本文所分析的屋蓋結(jié)構(gòu)為單層聯(lián)方型球面網(wǎng)殼（圖1a），其跨度為40m，矢跨比為1/5，網(wǎng)殼桿件采用圓鋼管，材料為Q235B鋼材，環(huán)向桿件截面尺寸為Φ132×4、徑向及斜向桿件截面尺寸為Φ116×4。下部支承結(jié)構(gòu)采用圓柱—環(huán)梁體系，柱高度為10.0m，為了模擬“強(qiáng)支承剛度”的條件，柱截面直徑設(shè)置為1.5m，環(huán)梁采用0.6m×0.6m的矩形截面。整個(gè)結(jié)構(gòu)共設(shè)置柱子24根，梁、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。筆者通過(guò)ABAQUS精細(xì)化有限元分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱截面直徑為1.5m時(shí)，整個(gè)地震動(dòng)作用時(shí)域范圍內(nèi)下部支承結(jié)構(gòu)混凝土的損傷因子很小，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在本文后續(xù)的分析中將混凝土材料設(shè)置為彈性屬性。上部網(wǎng)殼各桿件之間采用焊接球節(jié)點(diǎn)，為剛性連接；網(wǎng)殼與下部支承結(jié)構(gòu)之間在每根柱頂?shù)沫h(huán)梁處采用普通球形鋼支座或隔震支座連接，整體結(jié)構(gòu)模型如圖1（b）所示。

2　隔震裝置的選擇

本文選用鉛芯橡膠支座（Lead Rubber Bearing，LRB）作為隔震裝置。鉛具有良好的力學(xué)特性，它的屈服剪應(yīng)力較低，僅為10MPa 左右，初始剪切剛度較高，剪切模量約為130MPa，性能為理想彈塑性體。鉛芯對(duì)于塑性循環(huán)具有很好的耐疲勞性能，同時(shí)高純度的鉛（99.99％）也較易得到，這就使得其力學(xué)性能比較可靠。本文選用無(wú)錫某建筑新材料有限公司生產(chǎn)的FUYO鉛芯橡膠支座系列產(chǎn)品LRB600[9]，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1　支座的力學(xué)性能參數(shù)

因此，本文進(jìn)行對(duì)比分析的兩種結(jié)構(gòu)模型為：原結(jié)構(gòu)——柱頂采用普通鋼支座，即鉸接連接；隔震結(jié)構(gòu)——柱頂采用LRB支座連接。

LRB的分析模型采用SAP2000中的Rubber Isolator單元①無(wú)錫某建筑新材料有限公司.FUYO橡膠隔震支座標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料，其力學(xué)模型如圖2所示，它由六個(gè)內(nèi)部的“彈簧”組成，分別代表軸向、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)的分量。對(duì)每一個(gè)變形的自由度，可獨(dú)立地指定線性或非線性的行為，其塑性屬性基于Wen（1976）和Park、Wen和Ang（1986）提出的滯回行為。

3　動(dòng)力特性分析

首先，對(duì)隔震前后結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行比較。由于LRB是一種非線性元件，其剛度是支座變形量的函數(shù)，而模態(tài)分析是一種線性攝動(dòng)分析，為了客觀評(píng)價(jià)隔震裝置對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，振型分析時(shí)LRB的參數(shù)取表1中的等效剛度和等效阻尼比。自振頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示，可以看出隔震結(jié)構(gòu)的自振頻率較原結(jié)構(gòu)有明顯的降低。

表2　隔震前后結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)比

4　多遇地震響應(yīng)分析

將El Centro波和Taft波的加速度峰值調(diào)整到70gal（多遇地震），沿三個(gè)方向輸入結(jié)構(gòu)，進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析。圖3（a、b）給出了原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)柱頂全部24個(gè)支座處作用反力包絡(luò)值的分布曲線。可以看出，對(duì)于原結(jié)構(gòu)，支座最大反力的分布是十分不均勻的，由于地震作用方向的不確定性，實(shí)際設(shè)計(jì)中又要取最不利支座處的反力作為設(shè)計(jì)依據(jù)，因此支座的設(shè)計(jì)要求往往比較高，地震作用下也容易成為薄弱環(huán)節(jié)；而對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，其支座反力分布相對(duì)比較平緩，反力數(shù)值也比原結(jié)構(gòu)要低，這既有利于支座的設(shè)計(jì)也降低了傳遞到上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震作用。以典型支座6號(hào)支座（圖3）為例。

在El Centro波和Taft波作用下，原結(jié)構(gòu)X方向支座最大反力分別為32.11KN和29.01KN，隔震后該支座X方向的反力最大值分別降低到18.45KN和18.59KN，降幅達(dá)42.5％和35.9％，圖4（c）給出了原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)中6號(hào)支座X方向作用反力時(shí)程曲線的對(duì)比，可見(jiàn)隔震后結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯降低。

多遇地震作用下，所有LRB支座的反力均未達(dá)到其屈服力，因此支座實(shí)際上仍處于初始彈性狀態(tài)，圖5給出了典型的6號(hào)支座的滯回曲線，可以看出多遇地震下LRB并沒(méi)有產(chǎn)生滯回耗能，其隔震作用是通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。El Centro波和Taft波作用下所有支座水平方向最大位移包絡(luò)值分別為3.07mm、3.26mm，這一變形量是在彈性形變范圍內(nèi)的，能夠保證多遇地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的正常使用。

5　罕遇地震響應(yīng)分析

將地震波的加速度峰值調(diào)整到規(guī)范中規(guī)定的罕遇地震的數(shù)值，即400gal，并沿三個(gè)方向輸入結(jié)構(gòu)基底，進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析。與多遇地震相比，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)規(guī)律基本類(lèi)似，但由于支座大部分進(jìn)入屈服狀態(tài)產(chǎn)生了塑性耗能，罕遇地震下隔震結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了更好的減震效果。圖6（a、b）給出了原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)柱頂全部24個(gè)支座處作用反力包絡(luò)值的分布曲線?？梢钥闯?，罕遇地震下原結(jié)構(gòu)的支座反力是相當(dāng)大的，且分布很不均勻，以支座6為例，在El Centro波作用下兩向水平作用力的合力高達(dá)188KN，這使得整體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下容易由于支座過(guò)早的破壞而產(chǎn)生失效；而隔震結(jié)構(gòu)的支座反力基本位于屈服力附近，大大降低了傳遞到上部網(wǎng)殼的地震作用。圖6（c）給出了原結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)中6號(hào)支座X方向作用反力時(shí)程曲線的對(duì)比，可以看出隔震效果是非常明顯的。

圖7給出了典型的6號(hào)支座X方向的滯回曲線，可以看出罕遇地震作用下LRB的滯回曲線飽滿，耗能效果顯著。兩條地震波作用下支座X方向的最大位移分別為20.5mm和18.0mm，均小于支座的最大容許變形量（據(jù)產(chǎn)品規(guī)格限界變形400％）。

圖8給出了隔震前后上部網(wǎng)殼塑性發(fā)展情況的對(duì)比圖，可以看出原結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性發(fā)展比較嚴(yán)重；而隔震結(jié)構(gòu)基本保持為彈性，僅在Taft波作用下最外側(cè)的幾根環(huán)向桿件產(chǎn)生了塑性變形。

6　結(jié)論

隔震前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析表明，LRB能夠有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，從而避開(kāi)地震動(dòng)的卓越周期，減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用。時(shí)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達(dá)到了42.5％和35.9％，且支座反力分布趨于均勻，降低了支座設(shè)計(jì)的要求；（2）罕遇地震作用下LRB支座基本進(jìn)入塑性狀態(tài)，支座反力維持在屈服力附近，與原結(jié)構(gòu)相比有大幅度的降低；支座滯回曲線飽滿，耗能效果顯著；同時(shí)上部網(wǎng)殼的塑性發(fā)展程度大大減輕，基本保持為彈性；（3）總體來(lái)看，對(duì)于強(qiáng)支承結(jié)構(gòu)，本章采用的柱頂隔震方法是一種由“抗”到“消”的新思路，有效提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，取得了良好的效果。

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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

作者簡(jiǎn)介：胡葦（1990-），男，山東省日照市人，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，碩士研究所在讀，現(xiàn)主要從事城市綜合防災(zāi)和工程抗震的研究工作。

收稿日期：2015-10-20

修訂日期：2015-11-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAJ11B01）

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.01.002

文章編號(hào)：1674-8565（2016）01-0008-07