隔震支座在大跨空间结构中的应用与发展.pdf

1512023年5月江西建材规划设计与勘察隔震支座在大跨空间结构中的应用与发展付茂秋广州大学工程抗震研究中心，广东广州510000摘要：文中简要叙述了隔震技术在大跨空间结构的应用及原理，介绍了目前在大跨空间结构中应用最多的橡胶隔震支座和摩擦摆隔震支座，并论述了这两种支座的局限性，进一步分析和整理了新型三维隔震支座在大跨空间结构中的应用及存在的问题。目前，新型三维隔震支座在实际工程中的应用比较少，其在实际工程中隔震效果的有效性还有待验证。关键词：大跨空间结构；隔震支座；隔震技术中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 151-0 3Application and Development of Seismic Isolation Bearings inLarge-span Spatial StructuresFu MaoqiuEarthquake Engineering Research&Test Center,Guangzhou University,Guangzhou,Guangdong 510000Abstract:This paper briefly describes the application and principle of seismic isolation technology in large-span spatial structures,introduces the most widely used rubber seismic isolation bearings and friction pendulum seismic isolation bearings in large-span spatialstructures,and briefly explains the limitations of these two supports.The application and existing problems of the new three-dimensionalseismic isolation support in the large-span spatial structure are further analyzed and sorted out.At present,the application of the new three-dimensional seismic isolation support in practical engineering is relatively small,and the effectiveness of its seismic isolation effect has yet tobe verified in actual engineering.Key words:Large span spatial structure;Seismic isolation supports;Seismic isolation technology0引言地震是破坏性极强的自然灾害，提高我国建筑物的抗震能力十分重要。近年来，随着我国科学技术的突飞猛进以及人们生活质量的提高，形式新颖、规模宏大、技术先进的大跨空间结构广泛应用于城市公共建筑，如国家体育馆、国家游泳池等，研究大跨空间结构的抗震问题，具有重要的现实意义。1隔震技术在大跨空间结构中的应用建筑隔震是通过隔震支座把上部结构和基础或者下部支承结构分隔开，利用隔震支座水平刚度小的特点，使结构的变形主要集中在隔震支座，延长结构的自振周期，避开地震动的卓越周期，减小上部结构受到的地震作用，使其免遭破坏。隔震技术作为一种有效减小结构地震响应的技术手段，最早被应用在高层结构和桥梁结构中。随着大跨空间结构的兴起，隔震技术的应用被推向一个新的阶段。根据高层结构常采用的基础隔震和层间隔震技术，人们很快研究了适合大跨空间结构的隔震方法一一基础隔震和屋盖隔震。其中，屋盖隔震把隔震层设置在上部网架结构和下部框架结构连接处，即下部框架结构的柱顶，屋盖隔震也被称为柱顶隔震。隔震支座是隔震系统的核心组成部分，对隔震效果的好坏有着重要的影响，通常人们对隔震支座的研究主要从支座的材料、结构形式等方面入手，优化设计并进行试验验证。作者简介：付茂秋（19 9 7-），男，湖南永州人，硕士，主要研究方向为防灾减灾及防护工程。隔震支座必须具备的功能如下。（1）在满足结构竖向承载力的要求时，其具有较大的侧向位移能力，使结构可以在基础表面或者下部支承结构的表面作柔性滑动，延长结构的自振周期。（2）尽可能增大结构的阻尼，增加对地震能量的消耗，并抑制长周期地震波的低频部分的影响，降低结构的位移响应。2隔震支座的应用2.1橡胶隔震支座橡胶隔震支座作为最早使用的隔震装置之一，由天然橡胶和钢板交替叠合组成，根据橡胶支座的中孔是否插芯被分为天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座，橡胶隔震支座具备良好的竖向承载力和水平变形能力，但不足之处在于隔震层位移过大，容易引起支座失稳，故橡胶支座一般与其他装置一起组成复合隔震支座，再进行隔震设计。薛素铎等1 将形状记忆合金和橡胶隔震支座组合形成SMA-橡胶复合隔震支座，并应用于双层柱面网壳结构中，研究了其隔震性能。其中，形状记忆合金在超弹性变形下具有很好的滞回耗能特点，很好地弥补了橡胶支座的不足。结果证明，SMA-橡胶复合支座比普通橡胶支座具有更好的隔震性能，在隔震层发生大位移的情况下仍能继续工作，且构造简单，安装方便。该支座由叠层橡胶垫、上下两层钢板及交叉的SMA丝组成，支座模型如图1所示。152：2023年5月规划设计与勘察江西建材钢板叠层橡胶垫SMA丝运动方向图1SMA-橡胶复合隔震支座在SAM-橡胶复合隔震支座的基础上，李党2 设计了一种隔震效果更好的型形状记忆合金橡胶支座。该隔震支座由八段奥氏体形态记忆合金丝、弹簧及四个滑块构成，共有四个立面，每个立面都有两段SMA拉索，拉索的两端用钢板进行固定，下接钢板，设有四个滑槽，并在每个滑槽中安装弹簧和滑块，滑块可以在滑槽中自由滑动。2.2摩擦摆隔震支座摩擦摆隔震支座（FPB）是一种具备滑动摩擦耗能和钟摆原理的隔震装置，通过支座上、下两个曲面的摩擦实现减震作用，依靠钟摆原理延长结构的自振周期，减小结构受到的地震作用力。该支座具有较高的承载力、复位功能和抗扭能力，应用广泛。如美国旧金山国际机场航班中转站，其隔震设计就是采用摩擦摆隔震支座，取得了很好的隔震效果；土耳其Ataturk机场候机大厅也采用了摩擦摆支座进行隔震设计。该支座简图如图2 所示。R图2摩擦摆隔震支座Kong分析摩擦摆隔震支座得出，该支座的摩擦系数和曲率半径是恒定的，故不能很好地适应不同频谱的震动情况，其设计了一种可以改变摩擦的摩擦摆隔震支座（VF-FPB），并对VF-FPB支座在大跨网架结构中的隔震性能进行了研究。研究表明，VF-FPB比传统的FPB隔震效果更好。还有学者设计研究了三重摩擦摆隔震支座，采用了三个独立的钟摆，当结构受到地震作用时，它能够通过改变滑动面的组合改变支座的水平刚度和阻尼，具有很强的适应性。2.3三维复合隔震支座近年来，许多学者利用蝶形弹簧减震装置，针对大跨空间结构的特点，研发了不同组合形式的蝶形弹簧三维隔震装置。康宁娟4根据蝶形弹簧和橡胶隔震支座的特点，设计了一种在水平向和竖向都具有较好隔震效果的蝶形弹簧一铅芯橡胶复合隔震支座，并对该支座在大跨网架结构中的减震效果进行了分析，研究表明，这一新型三维隔震支座能有效减小结构在竖向和水平向的地震响应。这一三维隔震支座是通过在橡胶隔震垫上连接蝶形弹簧串联组成的，支座简化图形如图3所示。1注：蝶形弹簧；铅芯橡胶垫图3蝶形弹簧-铅芯橡胶复合隔震支座薛素铎等5 设计的摩擦-弹簧复合隔震支座（MTFGZ），包含由复位弹簧和滑移装置组成的水平隔震装置、由蝶形弹簧或柱状螺旋弹簧组成的竖向隔震装置，该支座简图如图4所示。水平滑移面mKh图4摩擦-弹簧复合隔震支座通过滑移装置摩擦面的滑动摩擦，可以有效减小地震动带来的地震作用力，复位弹簧可以保证滑移装置能够及时复位，确保正常工作；通过竖向弹簧的压缩耗能可以减小竖向地震作用。相关模拟证实了这种隔震支座能够延长结构的自振周期，改变结构的动力特性，减小大跨空间结构的地震作用力。针对大跨空间结构特点，利用空气弹簧和摩擦摆支座设计空气弹簧摩擦摆三维隔震支座。该支座的竖向隔震装置为空气弹簧，弹簧刚度很小，空气弹簧安装在一个橡胶气囊中，气囊上、下两端通过螺栓隔震筒连接。当遇到地震作用时，空气弹簧在竖向会产生位移，起到竖向限位的作用，而摩擦摆上的滑块通过在底座曲面上的滑动来消耗并减小地震作用。该支座在普通地震的作用下具有较好的隔震效果，但对长周期震动作用的隔震效果较差，故应用较少。2.4竖向变刚度三维复合隔震支座153，上接第150 页）规划设计与勘察江西建材2023年5月大跨空间结构由于跨度过大，在地震作用下，结构的竖向响应也是不容忽视的一个问题，设计出同时具有水平方向和竖向隔震的隔震支座十分重要。由蝶形弹簧组成的复合三维隔震支座对竖向的隔震能力有限，其竖向隔震周期较短，一些大跨空间结构对竖向隔震要求高，往往通过增加弹簧的高度来延长竖向的隔震周期，这样做会导致隔震支座过高，并产生稳定性不足的问题。一般的三维隔震支座竖向隔震周期较单一，适应性不强。刘宏睿6 设计的变刚度三维隔震装置由水平摩擦摆支座和液压缸组成，液压缸由主缸、增压缸、减压缸及转换缸组成。调整液压缸中增压缸和减压缸可以改变支座提供的竖向隔震周期，并且，液压缸可以水平放置，故该支座的竖向高度不会特别高，稳定性较好。本文对一个单层球面网壳结构进行了数值模拟分析，研究了这个变刚度三维隔震支座的隔震性能。结果表明，在考虑行波作用下，该三维支座对结构杆件轴力和结构加速度的隔震效率分别达到55%和8 6%，隔震效果较好。基于改变液压缸的组成实现变刚度的三维隔震装置，还有由铅芯橡胶支座和液压缸组成的橡胶支座液压缸变刚度三维隔震支座，该支座简图如图5所示。12381：上连接板；9：上部活塞：2：铅芯橡胶支座：10：油腔：93：中连接板；11：减压腔活510塞；64：竖向导轨；12：液压腔弹111315簧；5：液压缸侧壁；13：主腔活塞；6：限位挡块；14：主腔弹簧；121416图5橡胶支座一液压缸变刚度三维隔震支座简图在地震作用下，铅芯橡胶支座产生的变形减小结构受到的地震作用力，组合液压缸在竖向的变形起到竖向隔震的效果。组合液压缸由减压腔、增压腔及主腔组成。当地震作用引起的筑，2 0 10，40（8）：1-5，2 6.2陈志华.弦支结构体系研究进展【J】.建筑结构，2 0 11，41（12）：24-313陈志华，乔文涛.弦支混凝土集成屋盖结构及其基本特性分析J.建筑结构，2 0 10，40（11）：2 2-2 5.4乔文涛，陈志华.弦支混凝土集成屋盖结构特性分析及其参数讨论J】.建筑结构，2 0 10，40（11）：2 6-2 8，53.55张海影.装配式弦支轻质混凝土组合结构的应用研究【D.石家竖向振动位移较小时，仅主腔起到限制结构的竖向振动；当竖向振动位移较大时，液压缸中的增压腔、减压腔和主腔一起工作，以延长结构的竖向振动周期，减小结构的竖向地震作用力。本文通过建立某大跨空间结构的有限元模型研究这种竖向变刚度隔震支座的隔震性能，该竖向变刚度三维隔震支座的减震效果与非变刚度三维隔震支座接近，但这种变刚度三维隔震支座可以很好地限制隔震层的竖向位移，防止结构的倾覆角过大。3结语目前，摩擦摆隔震支座和橡胶隔震支座在实际工程中的应用比较广泛，但竖向隔震效果不佳，抗拉能力不足，难以适应当前发展的需要，如将这两种支座与其他性能优越的材料进行组合，可以提高支座的隔震性能。未来，新型隔震体系的有效性还需检验，促进隔震技术的发展，进一步研究出高性能、耐久性强及低成本的隔震支座材料。参考文献【1】薛素铎，周乾.SMA-橡胶复合支座的设计与隔震性能J.世界地震工程，2 0 0 3（4）：34-38.2李党.I型SMA-橡胶支座及其在大跨空间结构中的隔震研究D.北京：北京工业大学，2 0 0 6.3 Dewen Kong,Feng Fan,Xudong Zhi.Seismic performance of single-layer lattice shells with VF-FPB J.International Journal of SteelStructures,2014（4):2 33-2 43.4康宁娟.空间网架结构复合隔震理论和应用方法研究D】.西安：西安建筑科技大学，2 0 0 7.5薛素铎，李雄彦，潘克君.大跨空间结构隔震支座的应用研究J.建筑结构学报，2 0 10，31（S2）：56-6 1.6刘宏睿.变刚度三维隔震大跨空间结构支座研发与隔震性能研究D.天津：天津大学，2 0 19.7陈兆涛，丁阳，石运东，等.大跨空间结构竖向变刚度三维隔震装置及其隔震性能研究【J】.建筑结构学报，2 0 19，40（10）：35-42.庄：石家庄铁道大学，2 0 19.6宁宁俊超.基于ANSYS大跨度张弦梁结构预应力模拟研究D.成都：西南交通大学，2 0 13.7王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用M.北京：人民交通出版社，2 0 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