大跨空间建筑结构减隔震支座设计及性能研究

1、大跨空间建筑结构减隔震支座设计及性 能研究王勇奎值跃宋建平洛阳双瑞特种装备有限公司摘要：大跨空间建筑结构在风载和地震荷载作用下易产生倾覆和扭转等破坏，而a前 常用的建筑隔震橡胶类支座难以解决上述问题，针对此类情况在双曲而球型减 隔震支座的基础上研制了一种具备抗拉和抑制扭转功能的新型减隔震支座，样 品检验验证了功能可靠性高和性能吻合性好。同时，结合建筑抗震工程软件介绍 了该支座的模拟方法，并通过算例验证了支座具备显著的减隔震和抗拉效果，从而为大跨空间建筑结构提供丫一类良好的减隔震产品。关键词：大跨空间;减隔震支座;抗拉;抑制扭转;作者简介：王勇（1983）,男，高级工程师，硕士，主要从事桥梁、建

2、筑物减 隔震装置开发研究收稿日期：2017-01-10research on design and performance of seismic isolation bearings for large span-space buildingswang yong li heng-yue song jian-pingluoyang sunrui special equipment co. ltd;abstract：large span space building structures are prone to collapse and torsion under wind load and e

3、arthquake load, but the commonly used building isolated rubber bearings are difficult to solve these problems. the basis for this kind of situation in double spherical aseismic bearing is developed with a tensile torsion function and inhibition of the new isolation bearing, and the high reliability

4、function, and good performance are verified by the sample tests. at the same time, the simulation method of the bearing is introduced with the software of building seismic engineering, and it is verified by the example that the bearing has remarkable seismic isolation and tensile effect. thus it pro

5、vides a good seismic isolation product for large-span space building structure.keyword：large span space; seismic isolation bearings; anti-tensile; inhibition of torsion;received： 2017-01-101前言大跨空间结构因重量轻、受力合理、造型丰富、透光性好等特点，被广泛应用到 体育场馆、会展中心、机场及会堂剧院等。但在受到水平地震荷载或风载引起的 倾覆力和竖向地震向上作用力时，倾覆力矩会引起较大的柱子拉力，极易产生 倾

6、覆失稳问题。而a前橡胶类支座的抗拉性能普遍较差，不宜应用到大跨空间结 构建筑物中。因此，大跨空间结构建筑物减隔震首先需耍解决支座的受拉问题 ui。其次，扭转反应是造成大跨空间结构建筑物破坏的主要因素之一m;同时 支座震后可冋复性3、防火功能4-5和使用寿命4也是需要考虑的性能指标。摩檫摆支座因减隔震效果优异、冋复性好已在桥梁上获得广泛应用，如苏通长江 大桥、港珠澳大桥和新建成兰铁路和京沈铁路等。但由于抗拉功能较难实现，很 大程度上阻碍了在大跨空间建筑结构中的应用。国内薛素铎等基于传统摩擦摆支 座开发了具有竖向抗拔功能的摩擦摆支座m，并对竖向刚度进行了探讨，但无 抑制水平扭转功能。王伟强、陈彦北

7、等在摩擦摆支座两侧增加竖向抗拉弹塑性阻 尼器实现抗拉功能m。上述两类支座由于在支座纵桥向两侧面增加了抗拉拔结 构使支座平面尺寸大幅增加。另外，为了适应支座正常水平滑移导致的抬高和竖 向转动的需要均设置了较大的竖向间隙，这会导致一定竖向冲击危害。总体而言, 适用于w内在大跨空间结构的减隔震支座研宄成果较少。因此，研究一种新型具 备抗拉和抑制扭转功能的新型减隔震支座就显得尤为重要，同时也更有利于减 隔震技术在高震区和强风区的推广使用。本文是在桥梁领域广泛使用的双曲面球型减隔震支座（摩擦摆支座在国a的主 要结构型式之一）基础上，增加抗拉和抑制扭转功能，使大跨空间结构建筑物 能够抗拔和阻止扭转破坏，减

8、小地震和风载灾害。同时，根据设计参数完成了样 品制造和试验验证，并通过算例验证其减隔震和抗拉效果。2支座结构设计及力学原理2. 1支座结构支座总体构造见图1，它主要由顶座板、上座板、中座板、下座板、底座板、限 位板、不锈钢滑板、非金属滑板以及锚固螺栓(未画出)等组成。图1为单向活 动型支座结构示意，双向活动型支座只需将限位板去除即可；阀定型支座将顶座 板两端各增加限位板即可。图1支座结构示意8fig. 1 structure of bearings8卜载原图1.顶座板;2.上座板;3.中座板;4.下座板;5.底座板;6.非金属曲面滑板;7.不锈 钢曲面滑板;8.限位板支座顶座板和底座板均含有滑

9、移曲面，在曲面的两侧设置含有竖向挡块;上、下 座板均为双曲面结构，ii在曲面的两侧设置挡块等传力构件；中座板上、下面均 为曲面，且呈“十”字交叉状。支座结构平面尺寸小，且无竖向间隙，将竖向冲 击作用降低至最小。支座功能描述如下：(1) 正常支座功能:支座具备竖向承载、水平滑移方向滑移、水平限位方向限位 和竖向转动功能。(2) 竖向抗拉功能:支座的顶座板、上座板、屮座板、下座板、底座板每两板组 合之间均设计有相扣式滑道结构，使支座在滑移过程中始终具备抗拉功能。(3) 抑制扭转功能:支座4个摩擦副均为曲面摩擦副(不锈钢滑板+耶金属滑板)， 相扣式滑道结构只能使支座沿着纵或横向滑道滑移，因此支座在水

10、平方向始终 具备抑制扭转功能。(4) 限位板地震转化开关功能:支座在限位方向设置限位板，限位板保证支座在 正常使用下不破坏起到限位作用；当地震发生且水平力超过设计值时，支座限位 板破坏，不影响地震作用下支座滑动功能;限位板破坏后可更换。(5) 减隔震功能:支座通过双曲面的合成作用实现水平往复滑动。在往复滑动过 程中，通过滑动面的摩檫阻力耗散地震能量，并延长结构自振周期，达到减隔 震效果。(6) 震后自回复功能:地震过后，上部结构自重形成回复力，使支座复位。2.2支座力学原理普通（单向活动型）双曲面球型减隔震支座一般由上、中、下三个座板等主体构 成，见图2。图2双曲面球型减隔震支座结构示意fig

11、. 2 structure of double spherical seismic isolation bearing下载原图1.下座板;2.中座板;3.上座板;4.限位板从原理上，图1支座结构在滑移或限位方向，均可等同于一个双曲面球型减隔 震支座，见表1。表1两类支座结构相似性比较tab. 1 comparison of two types of bearing structure下载原表力学模型见图3。其中，i为支座等效曲率半径，支座水平位移d为lsino。图 3 支座运行原理-lfig. 3 operating principle of bearings-1 下载原 图閔 4 支座运行原

12、理閔-2fig. 4 operating principle of bearings-2 下载 原图图 5 支座运行原理图-3fig. 5 operating principle of bearings3下载原阁对于支座（图4）水平向任意滑动位移d,均可分解成两步（见图5）:第1步:a1 （a点原始位置）点绕支座下球面球心01旋转e角到a2点位置，水平位移量 drhsino :第2步:a2点绕支座上球面球心02旋转0角到a3,水平位移量d2=r下sin 0。支座总位移为从几何关系上等同于支座（图5中a4点）绕01旋转e角到02点，即等同于图 3中a点的位移d。从上述支座水平位移分解可以看出，支

13、座的等效曲率半径为支座上、不球面球心 距，力学原理等同摩擦钟摆（阁3）。支座的其它力学参数见相关标准m，这 里不再赘述。3支座试验验证根据上述结构和表2屮的设计参数完成丫支座样品设计。并在上海同济建设工程 质量检测站完成了竖向压缩性能、减隔震性能、自回复性能和竖向抗拉性能检测， 试验结果均显示满足设计指标要求，见表3。表 2 支座设计参数表 tab. 2 table of bearings design parameters下载原表表3支座设计与试验检测结果比较tab. 3 comparison of bearings design and test results下载原表4减隔震算例4. 1

14、支座模拟支座具备抗压功能、减隔震、抑制水平扭转和竖向抗拉功能，在midas gen计算 软件屮，可采用摩擦摆单元和钩单元二者组合模拟实现支座的上述功能。单元设 置见表4所示。图6支座减隔震性能及抗拉试验fig. 6 bearings isolation and tensile test卜载原图表 4 支座在 midas gen 软件中的设置方法 tab. 4 setting method of bearing in midas gen software下载原表4.1.1摩擦摆单元普通双曲面球型减隔震支座在软件屮可以用摩擦摆单元来模拟(见表4)。(1) 抗压功能模拟:按照支座竖向压缩变形量设置竖

15、向抗压刚度。(2) 水平滞回性能模拟:在计算有效刚度时，可首先假设一个地震位移，带入模 型计算;然后再根据计算结果进行迭代调整。非线性部分滑动前刚度按照支座最 大静摩擦力除以标准位移计算，其余部分按照支座实际设计参数输入。(3) 转动功能:分竖向、水平转动两部分。支座通常在竖直方向克服摩擦力后具 有转动0. 02rad功能，则两个绕水平轴方向竖向转动刚度均可按u wreq/0. 02计 算，其中p为支座滑动摩擦系数，w为支座上部荷载；由于支座绕竖向水平扭转 被抑制，该转动刚度可设一个较大值。4. 1. 2钩单元支座的抗拉功能是通过软件中的钩笮元来实现模拟的。钩单元由六个方向独立的 线性弹簧构成

16、，但是只有弹簧两端节点的相对距离增加量大于输入的初始间隙 时，弹簧的刚度才会被激活发挥作用，与支座的竖向抗拉功能一致，仅激活竖 向即可，其他方向均不激活。4.2减隔震算例本文选取- 5层混凝土框架结构考察支座减瞞震效果。该结构混凝土材料为c30。 楼层上下立柱截面为250x600mm,整个框架结构的抗震计算模型见图7。办公室 荷载一恒(活载)：-4 (-2.0) kn/m;屋面荷载一恒(活载)6 (-0.5) k n/mo图7混凝土框恕结构模型fig. 7 concrete frame structure model 下载原 图分别在框架底部设置硬抗式支座和减隔震支座，考察整个结构地震响应情况

17、。支座平面布置图见图8，其中在左、右端部支座竖向承载力为1000k n,中间支 座为 2000k no图8典型框架混凝土结构支座平面布置图fig. 8 bearings plane layout drawing of frame c oncrete structure下载原图4. 2.2模态分析模态分析结果表明：与硬抗式支座相比，减隔震支座能冇效降低了模型结构自振 频率，使得模型结构的自振周期延长到2. 05s，从而可以产生良好的隔震效果。表5不同连接支座下的结构隔震周期(s) tab. 5 structural isolation period under different bearing

18、s下载原表4. 2.3时程分析时程分析结果表明：(1) 随着层数降低，层剪力呈不断上升趋势；(2) 硬抗式支座连接下的底层剪力最大，为2580k n,减隔震支座连接下的底层 剪力最大，为928. 7k n,减震率达到64. 0%。(3) 硬抗式支座连接下层倾覆弯矩最大为24530k n，减隔震支座连接下的层剪 力为10060k n,减震率达到59. 0%。表 6 不同支座下的地震响应 table. 6 seismic response under different bearings下载原表表 7 支座竖向拉力计算表(k n) tab. 7 calculation table for vert

19、ical tension of bearing (kn)下载原表(4) 支座的水平滞回曲线呈近似的平行四边形，符合双曲面球型减隔震支座的 力学特征；图9支座竖向拉力fig. 9 vertical tension of bearings 下载原图 图 1 0 支座水平滞回性能 fig. 10 bearing level hysteretic behavior 载原图(5) 在地震响应下，位于原硬抗固定墩位置支座产生的拉力最大，达到926k n, 远离固定墩位置的支座拉力依次降低。5结语本文针对大跨空间建筑结构受力特点及支座功能要求，在双曲面球型减隔震支 座的基础上完成丫一种新型抗拉和抑制扭转功能

20、减隔震支座结构设计，支座平 而尺寸较小，竖向无间隙，并通过样品系列试验包括减隔震和抗拉试验，验证 了设计匹配性和功能可靠性。最后，结合工程软件，实现了支座的功能模拟;并通过硬抗支座和减隔震支座分 别连接下的框架结构抗震计算时程分析，对比显示减隔震支座具备良好的减隔 震效果和抗拉效果。参考文献1 潘克君，薛素铎，李雄彦.摩擦摆支座在空间结构中的应用与发展a.第十 三届空间结构学术会议论文集c.中国建材工业出版社，2010:122125pan ke-jun, xue su-duo, li xiong-yan. application and development of fps bearing i

21、n space structurea. proceedings of the thirteenth conference on spacestructuresc. china building materials industry press,2010:122125 (in chinese)2 张松.fps隔震装置的隔震性能研究d.唐山：河北理工大学，2006zhang song.study on isolation performance of fps isolationdeviced.tangshan:hebei polytechnic university, 2006 (in chine

22、se)3 gb50011-2010,建筑抗震设计规范sgb50011_2010，code for seismic design of buildingss (in chinese)4 cecs 126:2001,叠层橡胶支座隔震技术规程scecs 126:2001, technical code for seismic isolation of laminated rubber bearingss (in chinese)5 寇佳亮.高温后叠层橡胶支座串联体系抗震性能试验研究与分析d.兰州:兰 州理工大学，2009kou jia-1 iang. experimental study and analysis on seismic property of laminated rubber bearing serial system after hightemperatured. lanzhou:lanzhou university of technical, 2009 (in chinese)6 曾亚，薛素铎，李雄彦.抗拔摩擦摆支座竖向刚度的确定及其在网壳中的隔 震分析j.工业建筑，2015，45 (11) :4044zeng ya, xue su-duo, li xiong-yan. the determination of th