風雨操場建筑屋蓋隔震效果分析

邵 將 樂風江 方希兵 季歡歡 齊志豪

（新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊830047）

0 引 言

將基礎隔震技術應用于大跨屋蓋結構，特別對于網架結構而言，因大跨屋蓋結構的柱頂與屋蓋之間通常設計成點式支承連接，使得柱子的兩端以鉸接的方式相連，這樣結構的抗側剛度會大幅度降低，當遇到地震或風荷載等橫向荷載作用時會產生較大的結構側向位移［1-3］。又因多數網架結構為單層空曠結構，往往又難以形成常規隔震設計具有的完整隔震層。在下部框架和上部網架之間直接將原網架支座改設為隔震支座，不僅使得下部結構柱的抗側水平剛度明顯大于隔震層的水平側向剛度［4-5］，而且解決了大跨度屋蓋結構進行基礎隔震難且造價高的問題。本研究分析了某風雨操場網架屋蓋隔震方案的抗震性能；采用有限元軟件SAP2000建立模型對結構進行動力彈塑性時程分析，評估結構的隔震效果。

1 工程概況

新疆某中學風雨操場，下部為混凝土框架結構，柱頂標高+10.4 m，在+5.0 m 處有層間梁，上部屋蓋結構采用正放四角錐的螺栓球網架，支座支承方式采用上弦周邊多點支承，抗震設防類別為乙類，設防烈度為8 度（0.2g），第三組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.45 s，將上下部結構按整體結構取阻尼比值為0.03［6］。網架桿件、梁柱截面尺寸如表1所示。模型結構示意圖如圖1所示。

表1 主要結構構件截面尺寸及材料Table 1 Section size and material of main structural components

圖1 模型結構示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of model structure（Unit：mm）

2 隔震結構設計

2.1 模型準確性校核

為驗證模型導入SAP2000 后的準確性，對比SAP2000和YJK 非隔震模型的總質量、周期、基底剪力（設防烈度地震下）的差值，最大差值8.43%，滿足相關參數偏差在10%以內，能夠較為真實地反映結構基本特性。各變量差值=（|SAP2000－YJK|/YJK）×100%。

2.2 隔震支座的選擇

采用屋蓋隔震時，為使結構隔震支座滿足隔震4 項基本特征豎向承載力、水平剛度、水平彈性恢復力和阻尼［7］，對隔震墊的型號及其布設方式進行多次篩選和試算，最終確定12 個LRB200 型鉛芯橡膠支座，4 個LNR200 型天然橡膠支座。其隔震支座的壓應力最大值為-5.52 MPa，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［8］規定在重力荷載代表值下乙類建筑的橡膠隔震支座壓應力不應超過12 MPa 的要求，具有足夠的安全儲備。兩種支座的具體參數見表2。

表2 隔震支座的參數Table 2 Parameters of isolation bearings

2.3 地震動的選擇

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［8］規定實際強震記錄的數量不應小于總數的2/3，考慮到計算時間，根據上述原則計算中共選擇三條水平X向地震波Chi-Chi Taiwan、Irpinia Italy 和人工波（Ren），其時間間隔分別為0.004 s、0.0029 s、0.02 s。風雨操場建筑作為一種空間結構，特別是其網架部分，對豎向地震波的作用反應敏感。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［8］選出水平X向地震波，根據三個方向地震波的加速度峰值按水平X向∶水平Y向∶豎向=1∶0.85∶0.65 的比例，調整其他兩個方向的地震波。三條時程反應譜與規范反應譜曲線對比如圖2 所示。由圖2 可見，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［8］規定：時程反應譜與規范反應譜曲線，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%，所選地震波滿足規范要求。

圖2 三條時程反應譜與規范反應譜曲線Fig.2 Three time history response spectrum and normalized response spectrum curves

3 設防地震下彈塑性分析

表3-表6 及圖4 分別給出了非隔震和隔震結構在設防地震（中震）作用下周期、基底剪力、最大層間位移角、跨中網架最大撓度值和上部支座附近的網架上弦桿和網架腹桿軸力對比得出的隔震率，可以清楚看出屋蓋隔震在地震波三個方向下具有明顯隔震效果。網架桿件選取位置及編號如圖3 所示。隔震前后基底剪力、最大層間位移角、跨中網架最大撓度值和網架桿件軸力的隔震率算法∶隔震率=（|隔震前－隔震后|/隔震前）×100%。

表3 反映了設防地震下隔震前后的前三周期對比。由表3 可知，隔震后的周期提高約2 倍，增加顯著，可有效避開場地的特征周期。

圖3 網架桿件選取位置及編號圖Fig.3 Location and Number Diagram of space truss members

表3 設防地震下周期對比Table 3 Comparison of periodic under fortified earthquakes

表4 反映了設防地震下X、Y向隔震前后的基底剪力。由表4 可知，隔震后三條波下的基底剪力在X、Y向的隔震率均在50%左右，其中Irpinia波作用下Y向的隔震效果高于X向，而Chi-Chi、Ren 波作用下X向的隔震效果高于Y向。對下部結構的隔震效果顯著。

表4 X、Y向地震作用下基底剪力Table 4 Base Shear Force under X-Y Earthquake

表5反映了設防地震下X、Y向隔震前后的最大水平層間位移角，分別為位于B軸和3軸的柱。由表5知，隔震后三條波下的層間位移角在X、Y向的隔震效果均在50%，其對下部框架隔震效果較好。

表6 反映了上部網架在設防地震下豎向隔震前后跨中網架最大撓度值。由表6 可知，隔震前后三條波下跨中網架最大撓度值在Z向的隔震效果減小4%左右，因為橡膠支座豎向具有彈性，導致跨中節點撓度變大，但是相差不是很明顯。

表5 X、Y向地震作用下最大層間位移角Table 5 Maximum inter-story displacement angle under X-and Y-direction earthquakes

表6 豎向地震作用下跨中網架最大撓度Table 6 Maximum deflection of mid-span

圖4 反映了設防地震下X、Y、Z向隔震前后對上部網架上弦桿件軸力、腹桿桿件軸力的隔震率，由圖4（a）、（b）、（d）、（e）可知，隔震后三條波下的網架上弦桿件軸力和腹桿桿件軸力在X、Y向的隔震率均在 20%～88%，同時圖 4（c）、（f）可以看出上弦桿件軸力和腹桿桿件軸力在Z向的隔震率均在3%～32%，結構基本呈現出平動。因此從分析結果來看隔震層設置在柱頂和網架之間可以有效地耗散地震能量，但水平方向的隔震效果要優于豎向地震。

4 罕遇地震作用彈塑性分析

4.1 材料本構關系

考慮箍筋對混凝土的約束作用，選取混凝土的應力-應變關系為 Mander 模型［9］，其中為約束混凝土的抗壓強度為非約束混凝土的抗壓強度，εco為未約混凝土峰值應變，εcc為約混凝土峰值應變，Ec為規范中未約束混凝土切線模量，Esec為混凝土的割線模量。鋼材本構采用雙線性彈塑性鋼材本構，如圖5所示。

4.2 性能水準目標及塑性鉸定義

本模型選用非線性應力-應變（廣義）關系骨架曲線，采用FEMA365 的規定，將構件的抗震性能分為4個水準，分別為充分運行（OP）、立即使用（IO）、生命安全（LS）和接近倒塌（CP）。默認塑性鉸的本構關系如圖6、圖7所示。其中，AB 代表彈性階段，BC 代表強化階段，CD 代表卸載階段，DC代表破壞階段。

圖4 網架桿件軸力隔震率Fig.4 Axial isolation ratio of space truss members

圖5 材料的本構關系Fig.5 Constitutive relationship of materials

圖6 彎矩和PMM鉸Fig.6 Bending moment and PMM hinge

圖7 軸力鉸Fig.7 Axial force hinge

其中，對于混凝土結構梁、柱的彎矩鉸和耦合軸力彎矩鉸，C點比屈服荷載提高10%；對于上部網架鋼軸力鉸，C 點比屈服荷載提高3%；其他參數根據 FEMA356 表 5.7、表 6.7 取值［10-11］。在混凝土梁和柱構件的兩端分別定義彎矩鉸（M鉸）和耦合的軸力鉸（PMM 鉸），塑性鉸的長度取構件的0.1 倍和0.9 倍，網架桿件定義軸力鉸（P 鉸），取構件長度的0.5倍。

4.3 隔震層位移

根據《建筑抗震設計規范》［8］12.2.3條，隔震支座在罕遇地震作用下的水平位移限值不得超過其有效直徑的0.55 倍和內部橡膠總厚度的3.0 倍兩者中的較小值，表7 給出了罕遇地震下隔震墊最大位移及平均值。

從表7 可以看出，罕遇地震下隔震墊的最大水平位移未超過110 mm，故滿足《規范》［8］要求。

4.4 構件性能狀態分析

由設防地震下彈塑性分析結果可知，對結構影響最大的地震波為Irpinia Italy 波，故選取Irpinia Italy 波對隔震前后結構進行罕遇地震下彈塑性分析，得出地震波三個方向包絡值下整體結構塑性圖，由圖8 所示，紫紅色表示構件處于B 至IO 階段，藍色表示構件處于IO 至LS 階段，青色表示構件處于LS至CP階段，其他顏色表示構件處于CP 以上階段。罕遇地震時，隔震前結構在水平地震下，下部結構構件和上部網架桿件大部分均處于B至IO階段且塑性鉸較多，結構構件屈服，發生輕度破壞，位于結構中間橫向邊柱處于CP以上階段，說明地震后構件發生較嚴重的破壞，接近倒塌的狀態，幾乎不能繼續使用。而隔震后結構在水平地震動下，雖然下部結構也有部分構件處與B至IO 階段且塑性鉸較少，但是極少數構件僅僅發生屈服，發生輕度破壞，同時上部網架桿件均處于彈性狀態沒有出現塑性鉸，說明該類隔震技術不僅顯著減少了地震動對上部屋蓋的響應，而且也有效降低了下部結構的損壞。在豎向地震動下，隔震前后的下部框架和上部網架桿件均處于彈性狀態，對該類結構影響較小。結果顯示，屋蓋隔震布置充分發揮了隔震結構特有的抗震優越性。

表7 罕遇地震作用下隔震墊最大位移Table 7 Maximum displacement of isolation pad under rare earthquakes

圖8 地震作用下整體結構構件性能狀態Fig.8 Performance states of whole structure under earthquake loading

5 結 論

（1）設防地震作用下彈塑性分析結果表明，隔震層設置在柱頂和網架之間可以有效地耗散地震能量，減弱上部網架結構的地震響應，隔震效果較顯著，對比而言，水平向的隔震效果要優于豎向。同時，由基底剪力和最大層間位移角的分析結果可知，屋蓋隔震可以有效地減弱傳入下部框架的部分地震能量，減弱下部框架的地震響應，其整體隔震效果相對較好。

（2）罕遇地震下彈塑性分析結果表明，通過比較隔震前后整體結構在地震作用下出現塑性鉸的情況，得出屋蓋隔震結構構件滿足性能目標，網架桿件均處于彈性狀態，少部分梁出現塑性鉸并處于B 至IO 階段，達到了強柱弱梁的抗震設計目的，其整體隔震效果相對較好。隔震墊最大位移在《建筑抗震設計規范》規定的范圍內，滿足隔震裝置安全工作的要求。