王 世 宇

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

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超大跨度單層網(wǎng)殼隔震結(jié)構(gòu)多維地震作用分析

王 世 宇

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

以安陽(yáng)市科技館球面型單層聯(lián)方型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用有限元軟件Midas gen建立三維有限元模型，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平地震及雙向地震作用下隔震結(jié)構(gòu)原結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對(duì)比分析，研究了隔震大跨度網(wǎng)結(jié)構(gòu)多維地震作用下地震響應(yīng)峰值的變化情況。

大跨度網(wǎng)殼，長(zhǎng)周期地震波，隔震結(jié)構(gòu)，有限元模型

0 引言

單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)的一種常用結(jié)構(gòu)形式，由于覆蓋面積大，承載力高，受力合理，構(gòu)造簡(jiǎn)單，在各類大、中跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。此類結(jié)構(gòu)跨度大及自身構(gòu)造所具有的特殊性，使得其在地震作用下抗震性能表現(xiàn)較差。通過(guò)地震作用下大跨度空間結(jié)構(gòu)震害調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)震作用下大跨度空間結(jié)構(gòu)主要破壞形式有以下幾種：下部支座支反力不足引起的破壞；支座支撐體系的破壞；上部大跨度空間結(jié)構(gòu)的過(guò)大變形及整體失穩(wěn)。

隔震技術(shù)以其良好的減震效果及經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)得到工程界普遍認(rèn)可，許多國(guó)家的大跨度網(wǎng)殼形式的結(jié)構(gòu)在不斷出現(xiàn)。我國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始接觸隔震、減震理論并投入工程應(yīng)用，但我國(guó)現(xiàn)有的隔震結(jié)構(gòu)主要以多層建筑為主，針對(duì)超大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的理論研究和應(yīng)用較少。作為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用形式的大型公共建筑在地震時(shí)承擔(dān)著指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)與安置災(zāi)民的任務(wù)。因此對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)研究和應(yīng)用，對(duì)提高大型公共建筑的安全性具有重要意義。周穎等人[4]研究了多維地震動(dòng)輸入對(duì)大跨度空間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的影響問(wèn)題。杜永峰研究了雙向地震作用下的串聯(lián)大跨隔震結(jié)構(gòu)的減震控制問(wèn)題，并提出了序列最優(yōu)控制算法。胡葦[3]對(duì)大跨度的單層網(wǎng)殼柱頂隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同地震波作用下非線性時(shí)程分析對(duì)比分析，分析了隔震技術(shù)采用的必要性。周福霖等人對(duì)大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)的隔震減震策略進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隔震技術(shù)的采用對(duì)高層及大跨度空間結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)起到明顯的削弱作用。大量的研究表明大跨度空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能起到了較好的抗震效果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)已完成的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)主要采用單向地震作用下的地震響應(yīng)分析，此類分析方法對(duì)多層隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析精度較高，但對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)自身的特殊性，僅進(jìn)行單向地震作用下地震響應(yīng)分析已不能滿足要求，因此大跨度空間結(jié)構(gòu)的雙向地震作用下的響應(yīng)分析計(jì)算是十分必要的。

本文以超大跨單層球面聯(lián)方型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為背景，利用Midas gen軟件建立三維有限元模型，分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行天津波(長(zhǎng)周期地震波)和EI波(普通地震波)輸入，運(yùn)用時(shí)程分析法對(duì)超大跨度單層聯(lián)方型球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維地震及單向地震作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，為以后大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供一定參考。

1 隔震支座的選取及有限元模型的建立

1.1 隔震支座的選取

文中選用Midas gen中提供的遲滯性鉛芯橡膠支座隔震裝置(LRB)，此類隔震支座受力性能穩(wěn)定，外界因素(溫度，濕度)對(duì)支座的影響較小，經(jīng)濟(jì)性好，制造構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其在現(xiàn)有隔震結(jié)構(gòu)中得到較為廣泛的應(yīng)用。此類隔震支座由6個(gè)彈簧構(gòu)成，其中2個(gè)與剪切變形有關(guān)，其余4個(gè)分別與軸向、扭轉(zhuǎn)、兩個(gè)彎曲成分相關(guān)。文中選用鄭州某建筑材料研究所開(kāi)發(fā)的LRB600，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 支座力學(xué)性能參數(shù)

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 結(jié)構(gòu)幾何尺寸

安陽(yáng)市科技館采用單層聯(lián)方型球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案示意圖如圖1所示，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)覆蓋直徑為80.00 m，矢高10 m，矢跨比為1/8。結(jié)構(gòu)上部網(wǎng)殼部分網(wǎng)格劃分設(shè)計(jì)采用浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件MSTCAD2008，結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)殼徑向網(wǎng)格數(shù)為15個(gè)，最外層環(huán)向網(wǎng)格23個(gè)，網(wǎng)殼由外向內(nèi)多次收格使結(jié)構(gòu)中網(wǎng)格大小均勻。網(wǎng)殼中鋼構(gòu)件采用φ160×5，節(jié)點(diǎn)采用有一定抗彎剛度焊接球結(jié)點(diǎn)。屋架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)周邊分別通過(guò)剛性支座或隔震支座支承在環(huán)形混凝土支撐梁上，環(huán)形混凝土支撐梁放置在24根立柱上，整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2.2 材料選取及單元?jiǎng)澐?/p>

Midas gen模型鋼構(gòu)件均采用Q345鋼，屈服強(qiáng)度為310 MPa，泊松比取0.3，密度為7 800 kg/m3。由于模型采用空間桁架模型進(jìn)行分析會(huì)涉及到邊界單元的問(wèn)題，使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)雜程度，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的空間剛架模型進(jìn)行分析計(jì)算。模型中桿件均采用梁?jiǎn)卧?。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，包含桿件數(shù)量較多，梁?jiǎn)卧捎靡粭U一單元原則進(jìn)行劃分。

2 有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

首先，對(duì)隔震設(shè)置前后結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行對(duì)比分析，由于LRB是一種非線性隔震支座。其剛度為與支座變形量相關(guān)的函數(shù)，模態(tài)分析是一種線性對(duì)并列出模態(tài)攝動(dòng)分析，為了客觀評(píng)價(jià)隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響，振型分析時(shí)采用表2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(隔震結(jié)構(gòu)及原結(jié)構(gòu)前10階自振頻率)。

表2 隔震前后結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)比

由模態(tài)分析的結(jié)果可知：經(jīng)過(guò)隔震支座的設(shè)置，超大跨度聯(lián)方型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自振頻率相對(duì)于原結(jié)構(gòu)有較大程度的降低，降低幅度在20%～50%之間，模態(tài)數(shù)越高降幅越小，說(shuō)明隔震支座的設(shè)置可有效降低結(jié)構(gòu)剛度，從而使結(jié)構(gòu)自振周期遠(yuǎn)離地震波周期，起到有效減震作用；原結(jié)構(gòu)自振頻率分布譜較為密集，隔震支座設(shè)置后使得結(jié)構(gòu)自振頻率分布較為分散，表明隔震支座的設(shè)置可以使得結(jié)構(gòu)的破壞模式變得較為獨(dú)立，破壞模態(tài)變得簡(jiǎn)單有利于改善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)難度。

2.2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震作用下地震響應(yīng)分析

文中以安陽(yáng)市科技館為研究對(duì)象，分別將EI波和長(zhǎng)周期天津波，以單向水平地震作用和多維地震作用(水平加豎向)形式輸入隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)。根據(jù)抗震規(guī)范中安陽(yáng)市抗震設(shè)防烈度(7度，0.15g)將地震波峰值加速度調(diào)整到55 cm/s2作為地震波激勵(lì)輸入結(jié)構(gòu)，利用動(dòng)力時(shí)程分析方法分別計(jì)算隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)在常遇地震作用下地震峰值響應(yīng)分析(結(jié)構(gòu)支反力、豎向位移峰值、支座位移峰值、桿件內(nèi)力峰值)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 隔震前后結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值對(duì)比

由表3分析可知：

1)超大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震波作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)峰值大于EI波作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但隔震后結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震波作用下響應(yīng)峰值增幅大于隔震前峰值響應(yīng)增幅，表明隔震結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期地震波反應(yīng)更加敏感。

2)多維地震作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值大于單向水平地震作用下峰值響應(yīng)，隔震前結(jié)構(gòu)在多維地震作用下地震響應(yīng)相對(duì)于單向水平作用下的增幅較大，說(shuō)明隔震結(jié)構(gòu)中隔震支座的設(shè)置可以減小多維地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

3)經(jīng)過(guò)隔震支座的設(shè)置，隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下最大豎向位移峰值，支反力峰值，支座位移峰值，桿件內(nèi)力峰值分別降低為原結(jié)構(gòu)的1/6,1/3,1/4,1/2；說(shuō)明隔震結(jié)構(gòu)的隔震支座的設(shè)置對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向位移峰值響應(yīng)降低幅度最大，內(nèi)力峰值響應(yīng)降低幅值最小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以安陽(yáng)市科技館超大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程為研究對(duì)象，選用普通地震波EI波及長(zhǎng)周期天津波，對(duì)單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在水平地震作用及多維地震作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)中桿件內(nèi)力峰值、最大位移峰值、支反力峰值、支座位移峰值進(jìn)行分析比較，通過(guò)分析得出以下結(jié)論：

1)原結(jié)構(gòu)自振頻率分布譜較為密集，隔震支座設(shè)置后使得結(jié)構(gòu)自振頻率分布較為分散，表明隔震支座的設(shè)置可以使得結(jié)構(gòu)的破壞模式變得較為獨(dú)立，破壞模態(tài)變得簡(jiǎn)單有利于改善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)難度。

2)超大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震波作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)峰值大于EI波作用下隔震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，但隔震后結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震波作用下響應(yīng)峰值增幅大于隔震前峰值響應(yīng)增幅，表明隔震結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期地震波反應(yīng)更加敏感。

3)多維地震作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)峰值大于單向水平地震作用下峰值響應(yīng)，隔震前結(jié)構(gòu)在多維地震作用下地震響應(yīng)相對(duì)于單向水平作用下的增幅較大，說(shuō)明隔震結(jié)構(gòu)中隔震支座的設(shè)置可以減小多維地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

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Analysis on multi-dimensional seismic action of extra-large-span single-layer reticulated shell seismic isolation structure

Wang Shiyu

(CollegeofMaterial&BuildingEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550000,China)

Taking spherical-type single-layer reticulated shell structure of Anyang Science & Technology Museum as the research target, the paper establishes 3D finite element model by applying finite element software Midas gen, comparatively analyzes the seismic isolation structure seismic response under the action of horizontal seismic and double-direction seismic, and studies seismic response peak value change conditions of extra-large-span single-layer reticulated shell structure under multi-dimensional seismic action.

reticulated shell, long-period seismic wave, seismic isolation structure, finite element model

1009-6825(2017)17-0048-02

2017-03-28

王世宇(1987- )，男,碩士,助教

TU352

A