大跨度空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析綜述

侯芳園/華北理工大學(xué)

大跨度空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析綜述

侯芳園/華北理工大學(xué)

現(xiàn)如今隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，大跨空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。但由于大跨空間結(jié)構(gòu)動力特性的復(fù)雜, 因此如何提升大跨空間結(jié)構(gòu)的抗震可靠性和經(jīng)濟適用性，一直是學(xué)術(shù)界和工程界非常關(guān)注的問題。所以發(fā)展和完善大跨空間結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)方法是十分重要的?；诖罂缈臻g結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)，一般采用振型分解反應(yīng)譜法。

大跨空間結(jié)構(gòu)；地震反應(yīng)分析；振型分解法

一、引言

大跨空間結(jié)構(gòu)在體育性建筑、紀念性建筑、文化性建筑等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。而且大跨空間建筑具備重要的社會、政治、經(jīng)濟功能，當?shù)卣鸢l(fā)生時，經(jīng)常作為受災(zāi)群眾的臨時安置點和救助場所，所以保證大跨空間建筑在地震發(fā)生后的結(jié)構(gòu)安全性和使用功能的連續(xù)性具有極其重要的意義。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

因此大跨結(jié)構(gòu)的抗震分析具有極其重要的作用，1959 年，Housner 基于反應(yīng)譜理論給出第一條設(shè)計譜，此后，采用振型疊加反應(yīng)譜方法進行結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)分析成為結(jié)構(gòu)抗震分析的主導(dǎo)方法。對于多高層建筑而言，一般運用質(zhì)量參與系數(shù)累積量判斷所考慮的振型數(shù)量是否達到要求。而對于頻率密集的大跨度空間結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)準則并不完全適用[1]。怎樣選擇結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)主振型，才能有效縮減振型數(shù)量，成為空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用振型分解法時需要謹慎處理的重要環(huán)節(jié)．同時，使用振型分解反應(yīng)譜方法分析大跨度空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時，還需要考慮諸如多點輸入效應(yīng)、設(shè)計反應(yīng)譜適用性等一些比較復(fù)雜的問題。

大跨度空間結(jié)構(gòu)在多點地震輸入下的力學(xué)機理,國外眾多學(xué)者對此方面的運動規(guī)律、研究方法等做了大量的工作,也得出很多的重要結(jié)論。60年代Bonganoff,等人首先進行了行波效應(yīng)對大跨度結(jié)構(gòu)的研究。之后,Dibaj等[2]分析行波激勵下土壩反應(yīng)影響推導(dǎo)了多點輸入的運動方程。Protti[3]研究了地震輸入由于距離和頻率的變化對于地震反應(yīng)的影響。Har Cinadran[4]等川利用相干函數(shù)模型對一架懸索橋和兩架拱橋進行分析,同時與僅考慮行波效應(yīng)和一致輸入效應(yīng)進行分析,其結(jié)果表明一致地震輸入的結(jié)果是難以接受的。Soyluk,Dumnagolu[5]對韓國Jindo的大橋進行行波分析和隨機振動分析,結(jié)果表明視波速對結(jié)構(gòu)的反應(yīng)影響很大,一致輸入的隨機分析方法可能低估了結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

王前信、伍國馴等[6]根據(jù)海城地震和龍陵地震的記錄計算了拱式結(jié)構(gòu)對地震多點輸入的響應(yīng)。結(jié)果表明,多點輸入較一致輸入可能給出大很多的結(jié)果。項海帆[7]以天津永和橋為研究對象,討論了相位差效應(yīng)對斜拉橋飄浮方案地震反應(yīng)的影。結(jié)果表明,相位差效應(yīng)對斜拉橋是有利的。陳幼平同樣以永和橋為實例,采用三維空間模型,分析結(jié)果同文獻[7]的分析結(jié)果存在較人差異。其分析結(jié)果認為行波效應(yīng)可能使斜拉橋地震反應(yīng)顯著增大。劉吉柱[8]以遼寧大洋河為工程背景,研究結(jié)果表明考慮行波效應(yīng)時結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)增加很多。陳厚群、侯順載等[9]對東江雙曲拱壩進行實際地震紀錄作為自由場的輸入,給出拱壩在多點激勵下的計算結(jié)果。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對大跨空間結(jié)構(gòu)的振動控制研究主要集中在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上,然而,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)雖然都是大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),兩者動力反應(yīng)特征是否相同、地震反應(yīng)等問題都需要進一步研究,不過已有的網(wǎng)殼研究成果對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的振動控制研究還是有著比較大的啟發(fā)意義。國內(nèi)外對于大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的振動控制研究主要包括以下三個方面[10]:

（一）下部結(jié)構(gòu)加設(shè)阻尼器

在柱間支撐的位置加設(shè)阻尼器。對于大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),由于層高和跨度較大,地震時其柱頂和柱底的相對變形比較大,這時可利用支撐間的阻尼器起耗能作用。

（二）設(shè)置耗能減震支座

這是一種非常有效的減震隔震措施。在網(wǎng)殼的柱頂間設(shè)置隔減震裝置,這種支座在減小外部激勵的同時也能耗散振動能量。由于構(gòu)造簡單、耗能效果好,也應(yīng)用于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔減震上。

（三）屋蓋結(jié)構(gòu)的耗能減震

此種方法是在網(wǎng)殼桿件中設(shè)置阻尼器或者將耗能桿件替一般桿件來耗能減震。一般來說網(wǎng)殼桿件在地震激勵下變形不是很大,耗能效果具有一定的局限性。同時,對于不同的激勵,網(wǎng)殼桿件的受力和變形情況不盡相同,為使加設(shè)的阻尼器能有效地減小各種地震激勵,加設(shè)位置的優(yōu)化和分析是非常必要的,且具有一定的難度。

三、總結(jié)

在抗震設(shè)計性能的設(shè)計下，適用于大跨度空間結(jié)構(gòu)性能化抗震設(shè)計的地震反應(yīng)分析方法有待發(fā)展。在抗震設(shè)計背景下，大跨度空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法仍然是研究的熱門方向。國內(nèi)外學(xué)者和工程設(shè)計人員在現(xiàn)有計算手段的基礎(chǔ)上，已經(jīng)對空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點和規(guī)律有了一定的了解和掌握，有很多學(xué)者還將應(yīng)用較多且較為成熟的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法進行綜合分析，在此基礎(chǔ)上研究發(fā)展出新的求解方法。但現(xiàn)有的計算分析手段和設(shè)計方法仍滯后于工程實際應(yīng)用需要，進一步發(fā)展簡單高效的大跨度空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法仍然很有必要。

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