大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋隔震分析

孟令智 張 胥 楊榮強(qiáng) 張洪明 陳 軍

大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑中的重要組成部分，具有輕量化、靈活性和美觀性等優(yōu)點(diǎn)，在體育場(chǎng)館、展覽中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大，地震對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響也變得更加顯著。隔震技術(shù)是一種有效的結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)，可顯著降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋隔震是一種結(jié)構(gòu)抗震的新技術(shù)和新體系，旨在提高大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性，包括基礎(chǔ)隔震和屋蓋隔震2 種方案，通過引入隔震裝置或隔震層，將結(jié)構(gòu)與地震隔離，減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，在大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，由于其特殊的空間形態(tài)和復(fù)雜的受力特點(diǎn)，需要充分考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震作用的影響，確保其有效性和可行性。同時(shí)，屋蓋部分是重要的受力構(gòu)件，通過應(yīng)用隔震技術(shù)能夠保護(hù)屋蓋部分在地震作用下免受破壞，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 項(xiàng)目概況

某混凝土框架支撐的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成為一種高度靈活和穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)形式，可適應(yīng)各種環(huán)境和地震條件，設(shè)計(jì)靈感源于懸索橋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由上下兩部分網(wǎng)架組成的屋蓋，上部網(wǎng)架在承受載荷時(shí)，能夠以最小的能耗實(shí)現(xiàn)最佳穩(wěn)定性；下部區(qū)域網(wǎng)架弦桿則采用環(huán)形與豎直走向相結(jié)合的方式，形成一個(gè)強(qiáng)大的環(huán)箍，能夠提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)使構(gòu)件內(nèi)力的傳遞方式以軸力為主[3-4]。

為提高屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少其撓度，下部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩根柱伸到頂部，以支撐上部屋蓋。這種設(shè)計(jì)方法能夠?qū)⑸喜课萆w的重量均勻分散到整個(gè)下部框架結(jié)構(gòu)，確保了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。值得注意的是，此結(jié)構(gòu)在4 層（標(biāo)高15.125 m）和5 層（標(biāo)高18.225 m）處的剛度存在較大變化。上部網(wǎng)架只與1 層（標(biāo)高4.3 m）和頂層（標(biāo)高21.925 m）處的下部框架連接，有效減少了地震力對(duì)上部網(wǎng)架的影響。該工程所處的場(chǎng)地被歸類為Ⅱ類場(chǎng)地，該場(chǎng)地在地震烈度為7 度（0.15 g）的情況下可能面臨一定的地震風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）的要求，研究人員選擇了12 條符合要求的地震記錄，用于進(jìn)行詳細(xì)的地震響應(yīng)分析?？紤]到地震的不確定性和可能的地震影響，研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面分析，更好地了解其在真實(shí)環(huán)境中的表現(xiàn)。此外，研究人員還進(jìn)行了多次模擬實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的抗震性能[5-6]。

2 屋蓋隔震分析

2.1 質(zhì)點(diǎn)模型

建筑隔震結(jié)構(gòu)是一種設(shè)置在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的隔震層，由建筑隔震橡膠支座和阻尼器等部件組成。根據(jù)《房屋建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)方法》，建筑隔震結(jié)構(gòu)體系模主要包括上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)。其中，上部結(jié)構(gòu)在隔震層的最上面，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)會(huì)移動(dòng)。屋蓋隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)體系模型如圖1 所示，其中，x1、x2為震動(dòng)橫向輻射長(zhǎng)度，k1、k2、c1、c2為震動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)，m1、m2為震動(dòng)縱向輻射長(zhǎng)度，?g為質(zhì)點(diǎn)模型。。下部框架結(jié)構(gòu)和隔震層僅有一個(gè)未知量，即側(cè)移量。通過這種簡(jiǎn)化模型，可以更輕松地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，減少了計(jì)算的復(fù)雜性，有助于更好地理解和優(yōu)化大跨度空間網(wǎng)架屋蓋的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 屋蓋隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)體系模型（來源：作者自繪）

2.2 動(dòng)力分析

通過分析表1 中的數(shù)據(jù)，有助于更好地優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，確保在發(fā)生地震時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)能夠有效減少地震引起的剪力和位移，保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

表1 三維模型屋蓋隔震支座層剪力比值

3 隔震設(shè)計(jì)

隔震設(shè)計(jì)采用LRB600 型隔震支座和LRB1000 型隔震支座。其中，LRB600 型隔震支座布置在屋蓋的中部支撐柱柱頂（標(biāo)高21.925 m）處，可有效減少屋蓋在地震時(shí)的水平位移和振動(dòng)。

LRB1000 型隔震支座總共有16個(gè)，布置在框架柱柱頂（標(biāo)高4.3 m）處。這些支座的布置有助于分散和吸收地震力，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

層間隔震支座的主要力學(xué)性能如表2 所示。該設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)是通過合理配置不同類型的隔震支座，將地震引起的力和位移傳遞到隔震支座上，減小地震對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，提高結(jié)構(gòu)的地震抗性和安全性，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)免受地震災(zāi)害的影響。

表2 層間隔震支座的主要力學(xué)性能

為實(shí)現(xiàn)該方案，選擇多種類型的基礎(chǔ)隔震支座。該方案經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可以將地震力和振動(dòng)傳遞到隔震支座上，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。基礎(chǔ)隔震支座的主要力學(xué)性能如表3 所示。采用該基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)是最大限度減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。通過在柱底設(shè)置隔震層和使用多種類型的隔震支座，能夠有效隔離和吸收地震力，減少結(jié)構(gòu)的地震位移和變形，提高結(jié)構(gòu)的抗震性[7]。

表3 基礎(chǔ)隔震支座的主要力學(xué)性能

4 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對(duì)比

4.1 結(jié)構(gòu)剪力對(duì)比

屋蓋隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力減震系數(shù)的平均值為0.926，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基底剪力減震系數(shù)的平均值為0.428。這表明2 種結(jié)構(gòu)都具有較好的減震效果，但屋蓋隔震結(jié)構(gòu)在減震方面具有更好的性能。屋蓋隔震結(jié)構(gòu)的屋蓋隔震支座層X向剪力減震系數(shù)的平均值為0.015，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的屋蓋支座層X向剪力減震系數(shù)的平均值為0.168。這表明屋蓋隔震結(jié)構(gòu)對(duì)于上部屋蓋的減震效果優(yōu)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。

4.2 上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓跨比對(duì)比

相對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)在減小撓度方面具有更好的效果。通過分析上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓跨比，發(fā)現(xiàn)屋蓋隔震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在減小結(jié)構(gòu)撓度方面具有一定的減震效果。在地震作用下，屋蓋隔震結(jié)構(gòu)能夠顯著減小撓度，降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度。

4.3 上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件軸力對(duì)比

為準(zhǔn)確分析該混凝土框架支撐的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)性能，選取A-IVW090波和HCAL225 波進(jìn)行分析。這些地震動(dòng)記錄符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）要求，并被廣泛用于地震響應(yīng)分析。通過研究有限元分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)屋蓋下部網(wǎng)架的環(huán)箍處的桿件軸力響應(yīng)最大，這是因?yàn)樵摬课恢苯映惺苌喜课萆w的重量，并且是地震力傳遞的關(guān)鍵路徑。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中存在大量的桿件，為進(jìn)行更詳細(xì)的研究，選擇這類具有代表性的桿件為研究對(duì)象。選取桿件770、2570和3525 的軸力時(shí)程分析結(jié)果作為研究依據(jù)，這些桿件在屋蓋隔震結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中具有顯著的減震效果。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，屋蓋隔震結(jié)構(gòu)相對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)具有更好的減震效果，這種減震效果的提升主要?dú)w功于屋蓋隔震層的緩沖作用，能夠有效地吸收和分散地震能量，降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4.4 下部框架結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比

局部放大效應(yīng)是由屋蓋隔震結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和剛度分布引起的。然而，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)對(duì)下部框架結(jié)構(gòu)的位移具有減震效果，說明基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)可以有效減小下部結(jié)構(gòu)的位移，相對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)來說，減震效果更顯著。

5 大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋隔震設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

5.1 隔震設(shè)計(jì)的性能評(píng)估

通過對(duì)比加裝隔震措施前后的地震烈度指標(biāo)，可以對(duì)隔震效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度是衡量結(jié)構(gòu)在地震作用下振動(dòng)劇烈程度的重要指標(biāo)，在隔震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度越小越好，因?yàn)檩^小的加速度意味著結(jié)構(gòu)在地震中的振動(dòng)幅度較小，可以減輕地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞[8]。

通過性能評(píng)估可以得出以下結(jié)論：在隔震設(shè)計(jì)中，地震烈度指標(biāo)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度、最大位移、阻尼比是重要的性能評(píng)估指標(biāo)，可以全面反映隔震措施的效果。從性能評(píng)估結(jié)果來看，采用適當(dāng)?shù)母粽鸫胧┛梢栽诤艽蟪潭壬辖档偷卣饘?duì)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋的破壞風(fēng)險(xiǎn)。采用基礎(chǔ)隔震措施后，地震烈度指標(biāo)下降了25%，結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度下降了30%，最大位移減小了15%，阻尼比增加了20%。這些數(shù)據(jù)表明，隔震措施具有顯著的效果。值得注意的是，性能評(píng)估結(jié)果也會(huì)受到隔震措施的具體實(shí)施情況以及其他因素的影響，如果隔震措施的安裝精度不夠或者材料性能下降，那么實(shí)際的隔震效果可能會(huì)比預(yù)期要差，在實(shí)際的隔震設(shè)計(jì)中，還需要考慮這些因素的影響。

對(duì)比不同隔震設(shè)計(jì)方案，可以發(fā)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)方案在性能評(píng)估結(jié)果上存在一定的差異，采用某新型高阻尼材料作為隔震支座材料，雖然初始投資成本略有增加，但在長(zhǎng)期地震烈度指標(biāo)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度、最大位移、阻尼比等性能評(píng)估指標(biāo)上表現(xiàn)出更好的性能。因此，在選擇隔震設(shè)計(jì)方案時(shí)，需要綜合考慮各種因素，以獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

5.2 地震條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

對(duì)于大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋，在地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生位移，位移的大小和分布直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的破壞程度，采用隔震措施可以有效減小結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

速度響應(yīng)反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)速度，過高的速度可能破壞結(jié)構(gòu)，要盡量降低結(jié)構(gòu)的速度響應(yīng)。加速度反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)劇烈程度，過高的加速度可能會(huì)破壞結(jié)構(gòu)，因此要盡量降低結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)。

在地震條件下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布也是關(guān)注的重點(diǎn)，應(yīng)力分布直接反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性，過高的應(yīng)力可能破壞結(jié)構(gòu)，要關(guān)注應(yīng)力分布并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.3 結(jié)構(gòu)安全性與合規(guī)性

從安全性角度看，該結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)固性表現(xiàn)令人滿意，特別是在高強(qiáng)度的地震模擬中，結(jié)構(gòu)依然能夠維持其完整性，避免了可能的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。然而，合規(guī)性并不僅僅是要滿足最低標(biāo)準(zhǔn)，在某些極端情況下，例如超出設(shè)計(jì)地震強(qiáng)度的震動(dòng)，結(jié)構(gòu)中某些部位可能會(huì)出現(xiàn)損壞，因此未來的抗震設(shè)計(jì)不僅要考慮規(guī)范，還要進(jìn)一步考慮可能發(fā)生的極端情況。

設(shè)計(jì)中也存在一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)和不足，如某些連接部位可能在強(qiáng)震中出現(xiàn)過大的變形，雖然不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，但可能影響其長(zhǎng)期使用。為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的地震抗性，建議對(duì)這些連接部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如增加其剛度或采用新的連接方式。綜上所述，該結(jié)構(gòu)在地震設(shè)計(jì)中的安全性和合規(guī)性都達(dá)到了相當(dāng)高的水平，但為了追求卓越，仍需要關(guān)注那些可能被忽視的細(xì)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)，并不斷進(jìn)行優(yōu)化[9-10]。

6 結(jié)語

通過對(duì)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行屋蓋隔震分析，探討了結(jié)構(gòu)在地震荷載下的響應(yīng)特性及隔震效果。研究結(jié)果表明，隔震可以有效減小結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。

結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和地震動(dòng)特性，可以更好地指導(dǎo)大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，提高隔震與其他抗震措施的協(xié)同效果，為大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供更加全面的支持。