大跨度空間網架結構屋蓋隔震分析

孟令智 張 胥 楊榮強 張洪明 陳 軍

大跨度空間網架結構作為現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點，在體育場館、展覽中心等領域得到廣泛應用[1-2]。但隨著結構跨度的增大，地震對于結構的影響也變得更加顯著。隔震技術是一種有效的結構抗震新技術，可顯著降低地震對結構的作用，提高結構的抗震性能。大跨度空間網架結構屋蓋隔震是一種結構抗震的新技術和新體系，旨在提高大跨度空間網架結構在地震作用下的安全性，包括基礎隔震和屋蓋隔震2 種方案，通過引入隔震裝置或隔震層，將結構與地震隔離，減少地震對結構的影響，在大跨度空間網架結構中，由于其特殊的空間形態和復雜的受力特點，需要充分考慮結構的動力特性和地震作用的影響，確保其有效性和可行性。同時，屋蓋部分是重要的受力構件，通過應用隔震技術能夠保護屋蓋部分在地震作用下免受破壞，延長結構的使用壽命。

1 項目概況

某混凝土框架支撐的空間網架結構被設計成為一種高度靈活和穩固的結構形式，可適應各種環境和地震條件，設計靈感源于懸索橋結構。該結構是由上下兩部分網架組成的屋蓋，上部網架在承受載荷時，能夠以最小的能耗實現最佳穩定性；下部區域網架弦桿則采用環形與豎直走向相結合的方式，形成一個強大的環箍，能夠提高整個結構的穩定性，同時使構件內力的傳遞方式以軸力為主[3-4]。

為提高屋蓋結構的穩定性，減少其撓度，下部框架結構設計了兩根柱伸到頂部，以支撐上部屋蓋。這種設計方法能夠將上部屋蓋的重量均勻分散到整個下部框架結構，確保了整體結構的穩定性。值得注意的是，此結構在4 層（標高15.125 m）和5 層（標高18.225 m）處的剛度存在較大變化。上部網架只與1 層（標高4.3 m）和頂層（標高21.925 m）處的下部框架連接，有效減少了地震力對上部網架的影響。該工程所處的場地被歸類為Ⅱ類場地，該場地在地震烈度為7 度（0.15 g）的情況下可能面臨一定的地震風險。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的要求，研究人員選擇了12 條符合要求的地震記錄，用于進行詳細的地震響應分析。考慮到地震的不確定性和可能的地震影響，研究人員對結構進行了全面分析，更好地了解其在真實環境中的表現。此外，研究人員還進行了多次模擬實驗，以驗證該結構的抗震性能[5-6]。

2 屋蓋隔震分析

2.1 質點模型

建筑隔震結構是一種設置在建筑物上部結構與基礎之間的隔震層，由建筑隔震橡膠支座和阻尼器等部件組成。根據《房屋建筑結構隔震設計方法》，建筑隔震結構體系模主要包括上部結構、隔震裝置和下部結構。其中，上部結構在隔震層的最上面，當發生地震時會移動。屋蓋隔震結構質點體系模型如圖1 所示，其中，x1、x2為震動橫向輻射長度，k1、k2、c1、c2為震動點的坐標，m1、m2為震動縱向輻射長度，?g為質點模型。。下部框架結構和隔震層僅有一個未知量，即側移量。通過這種簡化模型，可以更輕松地進行結構的地震反應分析，減少了計算的復雜性，有助于更好地理解和優化大跨度空間網架屋蓋的隔震結構設計。

圖1 屋蓋隔震結構質點體系模型（來源：作者自繪）

2.2 動力分析

通過分析表1 中的數據，有助于更好地優化結構的設計參數，確保在發生地震時，隔震結構能夠有效減少地震引起的剪力和位移，保護結構的安全性和穩定性。

表1 三維模型屋蓋隔震支座層剪力比值

3 隔震設計

隔震設計采用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（標高21.925 m）處，可有效減少屋蓋在地震時的水平位移和振動。

LRB1000 型隔震支座總共有16個，布置在框架柱柱頂（標高4.3 m）處。這些支座的布置有助于分散和吸收地震力，提高結構的穩定性。

層間隔震支座的主要力學性能如表2 所示。該設計方案的目標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，減小地震對整個結構的影響，提高結構的地震抗性和安全性，保護人員和財產免受地震災害的影響。

表2 層間隔震支座的主要力學性能

為實現該方案，選擇多種類型的基礎隔震支座。該方案經過精心設計，可以將地震力和振動傳遞到隔震支座上，提高結構的穩定性。基礎隔震支座的主要力學性能如表3 所示。采用該基礎隔震設計方案的目標是最大限度減小地震對結構的影響。通過在柱底設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，減少結構的地震位移和變形，提高結構的抗震性[7]。

表3 基礎隔震支座的主要力學性能

4 結構地震響應對比

4.1 結構剪力對比

屋蓋隔震結構的基底剪力減震系數的平均值為0.926，基礎隔震結構基底剪力減震系數的平均值為0.428。這表明2 種結構都具有較好的減震效果，但屋蓋隔震結構在減震方面具有更好的性能。屋蓋隔震結構的屋蓋隔震支座層X向剪力減震系數的平均值為0.015，基礎隔震結構的屋蓋支座層X向剪力減震系數的平均值為0.168。這表明屋蓋隔震結構對于上部屋蓋的減震效果優于基礎隔震結構。

4.2 上部網架結構撓跨比對比

相對于非隔震結構，隔震結構在減小撓度方面具有更好的效果。通過分析上部網架結構的撓跨比，發現屋蓋隔震結構和基礎隔震結構在減小結構撓度方面具有一定的減震效果。在地震作用下，屋蓋隔震結構能夠顯著減小撓度，降低結構的響應度。

4.3 上部網架結構桿件軸力對比

為準確分析該混凝土框架支撐的空間網架結構性能，選取A-IVW090波和HCAL225 波進行分析。這些地震動記錄符合《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）要求，并被廣泛用于地震響應分析。通過研究有限元分析的結果，發現屋蓋下部網架的環箍處的桿件軸力響應最大，這是因為該部位直接承受上部屋蓋的重量，并且是地震力傳遞的關鍵路徑。由于網架結構中存在大量的桿件，為進行更詳細的研究，選擇這類具有代表性的桿件為研究對象。選取桿件770、2570和3525 的軸力時程分析結果作為研究依據，這些桿件在屋蓋隔震結構和基礎隔震結構中具有顯著的減震效果。通過對比分析發現，屋蓋隔震結構相對于基礎隔震結構具有更好的減震效果，這種減震效果的提升主要歸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，降低地震對結構的影響。

4.4 下部框架結構層間位移角對比

局部放大效應是由屋蓋隔震結構的振動特性和剛度分布引起的。然而，基礎隔震結構對下部框架結構的位移具有減震效果，說明基礎隔震結構可以有效減小下部結構的位移，相對于非隔震結構來說，減震效果更顯著。

5 大跨度空間網架結構屋蓋隔震設計結果與討論

5.1 隔震設計的性能評估

通過對比加裝隔震措施前后的地震烈度指標，可以對隔震效果進行客觀評價。結構響應加速度是衡量結構在地震作用下振動劇烈程度的重要指標，在隔震設計中，結構響應加速度越小越好，因為較小的加速度意味著結構在地震中的振動幅度較小，可以減輕地震對結構的破壞[8]。

通過性能評估可以得出以下結論：在隔震設計中，地震烈度指標、結構響應加速度、最大位移、阻尼比是重要的性能評估指標，可以全面反映隔震措施的效果。從性能評估結果來看，采用適當的隔震措施可以在很大程度上降低地震對大跨度空間網架結構屋蓋的破壞風險。采用基礎隔震措施后，地震烈度指標下降了25%，結構響應加速度下降了30%，最大位移減小了15%，阻尼比增加了20%。這些數據表明，隔震措施具有顯著的效果。值得注意的是，性能評估結果也會受到隔震措施的具體實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，那么實際的隔震效果可能會比預期要差，在實際的隔震設計中，還需要考慮這些因素的影響。

對比不同隔震設計方案，可以發現不同的設計方案在性能評估結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，但在長期地震烈度指標、結構響應加速度、最大位移、阻尼比等性能評估指標上表現出更好的性能。因此，在選擇隔震設計方案時，需要綜合考慮各種因素，以獲得最優的設計方案。

5.2 地震條件下的結構響應

對于大跨度空間網架結構屋蓋，在地震作用下，結構會發生位移，位移的大小和分布直接關系到結構的破壞程度，采用隔震措施可以有效減小結構的位移響應。

速度響應反映了結構在地震作用下的振動速度，過高的速度可能破壞結構，要盡量降低結構的速度響應。加速度反映了結構在地震作用下的振動劇烈程度，過高的加速度可能會破壞結構，因此要盡量降低結構的加速度響應。

在地震條件下，結構的應力分布也是關注的重點，應力分布直接反映了結構在地震作用下的安全性，過高的應力可能破壞結構，要關注應力分布并進行優化設計。

5.3 結構安全性與合規性

從安全性角度看，該結構在地震中的穩固性表現令人滿意，特別是在高強度的地震模擬中，結構依然能夠維持其完整性，避免了可能的倒塌風險。然而，合規性并不僅僅是要滿足最低標準，在某些極端情況下，例如超出設計地震強度的震動，結構中某些部位可能會出現損壞，因此未來的抗震設計不僅要考慮規范，還要進一步考慮可能發生的極端情況。

設計中也存在一些潛在的風險和不足，如某些連接部位可能在強震中出現過大的變形，雖然不會導致結構倒塌，但可能影響其長期使用。為進一步提高結構的地震抗性，建議對這些連接部位進行優化設計，如增加其剛度或采用新的連接方式。綜上所述，該結構在地震設計中的安全性和合規性都達到了相當高的水平，但為了追求卓越，仍需要關注那些可能被忽視的細節和風險，并不斷進行優化[9-10]。

6 結語

通過對大跨度空間網架結構進行屋蓋隔震分析，探討了結構在地震荷載下的響應特性及隔震效果。研究結果表明，隔震可以有效減小結構的位移和應力，提升結構的抗震性能。

結合不同的結構參數和地震動特性，可以更好地指導大跨度空間網架結構的設計和施工，提高隔震與其他抗震措施的協同效果，為大跨度空間網架結構的抗震設計提供更加全面的支持。