抗震支座在大跨度空間結構中的應用

游新宏 劉 浩 姜 鑫

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

在新世紀下，大跨度空間基礎結構表現出越來越多的優勢，如造型美、受力均勻、靈活多樣、工廠化水平高等，現已發展成為一種常用的空間結構。但我國很多地區都是地震區，而且空間結構如果跨度太大，往往需要注意地震方面的影響，盡量減小大跨結構的具體地震反應。目前，伴隨人們不斷深入研究結構減震技術，其中的抗震支座也越來越廣泛地被推廣應用在大跨空間基礎結構中，從而有效解決了地震問題。

1 有關概述

1.1 大跨度空間結構

伴隨物質與精神文明的飛快發展，人類也需要不斷增大覆蓋空間，來進行社會及生產活動。而在這種結構中，還應具有最小的支撐干擾和最大的空間。但普通平面結構在形式的限制下，難以跨越可以滿足社會發展需要的更大空間。據實踐研究發現，三維空間且受力均勻、空間狀態好的結構，便可以達到大跨度結構方面的要求。這種大跨度空間形式的建筑現已在全球范圍飛快發展，其中的基本單元主要包含三棱體、三角錐、截頭四角錐、正方體等。通過基本單元，可以形成平面三邊形、六邊形、四邊形、圓形等。這種大跨度結構工業水平高、輕質、穩定、美觀等，故此被廣泛地應用在體育館、大型文藝建筑等當中。此外，在大跨度空間中，還具有相當豐富多彩的空間結構型式，而且結構形體和整體受力性能也緊密相聯，兼具薄殼和網架的基本結構特點，還在持續創新結構型式。其中的網殼又存在單層及雙層這兩種網殼，在施工建設中，可以大量使用木材、鋼、鋼筋混凝土等建筑材料。

1.2 抗震支座

作為應用十分廣泛的一種新型結構，大跨度空間基礎結構的造型相當美觀且質輕、剛度大，備受建筑師及結構設計師的一致青睞。但這種網殼結構卻形式豐富多樣、整體造型千變萬化，而涉及大量的桿件及節點等，整個結構抗震也并不遵循一般的規律，所以該領域的抗震支座引起了廣泛的關注。抗震支座就是在結構某底部位置或者中間，設置必要的減震或者隔震設備，來有效延長整個結構的實際自振周期，進而吸收大量的地震能量，減小上部結構的實際地震效應。

在大跨度結構中，抗震支座能夠自由轉動、加強承載能力，充分支撐上部結構產生的各種荷載，從而滿足轉動、傳遞、移動的要求，安全地集中反力合力。因為抗震支座能夠承受各種力量，如拉、壓、剪力等，所以在地震力的強作用下，如果上、下結構未遭到破壞，落梁、落架等嚴重后果就不會出現。這種支座尤其適合地震烈度高地區的設防，可抗9度地震。此外，這種抗震支座還具有很巨大的靜剛度，在大跨度的巨大自重和質量慣性力的綜合作用力下，抗震支座只是出現很微小的形變，可以安全、可靠地保持平順度。在這種抗震支座中，一般會利用球面傳力方式，且受力面積相當大，并且經由諸多種材料科學地組合而成，大幅縮小了體積、降低了高度，不僅質輕而且安裝便捷、總造價不高。總體上看，抗震支座耐久性優異，支座可靈活轉動等，具有很大的適用范圍，特別是地震烈度很高的地方。

2 在大跨度空間結構中實踐應用抗震支座

2.1 工程實際概況

某體育館屬于一種功能相當豐富的體育館，主要存在訓練館、主場館、大眾館、配套設施等組成部分。這種體育館建筑主要用于體育比賽，并且兼作文藝匯演、大型展覽、多功能會議等。

在體育館中，主場館的跨度為160m，訓練館的主桁架跨度為150m，大眾館具有140m的鋼屋拱形蓋，相應的矢高大小依次是24m，16m，10m。其中的上下弦分別通過兩根圓鋼管一起組合而成。在水平鋼環粱中，箱形梁的高為1.2m，實際寬為0.56m，相應的壁厚20～40mm。在大跨度空間的主桁架與結構環梁間依次存在78，66，50榀數量的輻射基礎桁架，用于增強主拱和環梁之間的聯系強度。而三大輻射桁架依次具有35m，55m，15m的最大跨度。在空間輻射桁架上，存在主、次檁條結構，并且上面還覆蓋著一個太陽板。從水平鋼環梁上看，依次經由44個，54個，32個結構抗震支座，來連接平臺上安裝的鋼筋混凝土梁，在整個鋼屋蓋下，設置有訓練館、主場館、大眾館這些部分。

2.2 分布支座的情況

(1)支座分布的基本原則 1)達到承載力方面的要求，并且預留足夠大的安全儲備空間；2)能夠承受得住拉、壓、剪等之類的力，在隨機出現的巨大地震力綜合作用下，可以保持較顯著的強度及優異的延性；3)具備相當顯著的整體減震教果，并且支座能夠達到水平阻尼、剛度等方面的性能要求；4)達到正常使用要求下的抗風標準需要。

(2)支座分布 在本體育館中，分布著一定數量的抗震支座。其中主場館內部分布支座的形式為單軸對稱方式，也就是繞長軸相互對稱。而在大眾館、訓練館內部，主要繞長、短軸進行對稱分布。

2.3 基本的支座性能

(1)性能情況 在本體育館工程中，一共有用到六種類型的抗震支座，且整體承載力、剛度、容許位移均滿足要求。在這種支座當中，在水平方向的承載力大約為41%～56%的豎向承載力。在整個支座里面，出現的徑向位移，在向外、向內、切向均不盡一樣。在抗震支座中，剪切剛度往往相當大，并且遠大于夾層橡膠類型的隔震支座，同時支座摩擦系數也相當小。

(2)滯回變化曲線 在本體育館工程中，據實驗滯回曲線圖顯示，整個滯回環相對較瘦，進而說明阻尼并不大，也就是整體抗震性能十分理想。

(3)基本構造 在本體育館工程中，抗震支座具有球芯、蓋板、橡膠密封圈等構造部分。在安裝抗震支座時，需要通過螺栓結構，緊密連接支座底座和環粱(材質為鋼筋混凝土)上設置的預埋鋼板，并且通過螺栓結構，來緊密連接蓋板和支座上部存在的鋼環粱。

2.4 工程結果分析

針對本體育館工程，借助國外最新研發的SAP2000分析程序來展開非線性分析工作。根據彈性來綜合考慮上部結構、支座的基本力學性能。同時，沿著徑向創建起等效類型的線性模型，并且沿著切向方向，設計滑動支座。相較于固定支座，大眾館、訓練館、主場館中安裝的主桁架最大應力位置(也就是桁架頂部)的上、下弦桿，在體育館滿載時出現的內力比依次是：0.65∶0.68,0.72∶0.74,0.75∶0.78。

2.5 抗震支座特點總結分析

在本體育館工程中，抗震支座的整體特點主要涉及以下方面。①構造連接簡單，施工安裝起來相當便捷；②與橡膠隔震類型的支座相比，在上部結構方面并沒有很大的剛度要求；③支座隔震能力和消能效果十分理想，相較于固定類型的支座，能夠降低結構的整體內力；④這種抗震支座，分別在不同方向的力具有不一樣的性能，所以計算顯得有一定的復雜度；⑤與橡膠類型的隔震支座相比，支座具有更小的容許位移。

3 結 語

綜上所述，現代抗震支座往往構造簡單單一、安裝便捷、造價不高、可大量節約材料等，所以在大跨度網格結構中應用廣泛。尤其是在國內很多地方都是地震區，所以，針對大跨度空間基礎結構的有效應用，應注意所用抗震支座的實際性能分析，積極總結經驗教訓，不斷優化支座結構系統，并以此來推動建筑事業的可持續發展。