大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究

东南大学-海达股份隔震技术联合研发中心计划项目申报书项目领域：大跨空间结构隔震项目名称：大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究项目申请人：冯若强联系电话：83790910邮件地址：hitfeng@163.com申请院系：土木工程学院建筑工程系申报日期：2013.5.6东南大学-海达股份隔震技术联合研发中心二○一三年制一、项目立项的意义及必要性随着社会整体发展，建筑科学技术水平的不断进步以及人类生活的改善，规模宏大、形式新颖、技术先进的大跨空间结构在世界各国应运而生，结构形式向高、轻、大这三个方向发展。空间结构具有空间跨度大，结构整体刚度大，结构受力合理，耗材少、重量轻等优点，致使大跨空间结构体系具有广阔的应用前景。随着我国国力的不断增强，将需要建造更多更大的大空间建筑物。大跨度结构往往是人群集合和配置重要设施的场所，如何在设计和建造阶段就使它们具有足够的抗震能力和合理的安全度一直备受关注。隔震技术由于能够全面改善结构的抗震防灾性能和正常使用功能，因此受到各国科研人员的青睐，因而大跨结构的隔震已经成为当今结构隔震控制理论和应用研究的一个重要方向。隔震结构的本质就是使结构或结构部件与可能引起的地面运动或支座隔离开来，在许多的应用中，隔震装置是安装在支座位置或基础位置。放在基础位置，称为基础隔震，放在支座部位，称为支座隔震，如图1所示。隔震结构的基本目的，就是要大大减小传到结构上的地震作用和能量。但是，地震荷载作用下，大跨空间结构具有较为复杂的动力特性，其振型表现为水平或竖直方向的运动，同时也可能是水平和竖直方向运动的耦合。目前对于大跨空间结构研究主要集中在水平隔震方面，而对大跨空间结构竖向隔震研究并不多。应用最为广泛的普通叠层橡胶支座（板式橡胶支座和盆式橡胶支座）暴露出诸多缺点：首先，它竖向刚度很大，对竖向地震作用几乎没有隔震效果；其次，它水平刚度很小，在减震的同时放大了上部结构的水平位移，而橡胶本身回复力差，导致在大变形下很难回复到原位。而抗拔球形钢支座，耗能能力不足。因此采用三维隔震支座是十分必要的。（a）支座隔震（a）基础隔震图1大跨结构隔震方案适用于大跨空间结构三维复合隔震的支座必须满足以下要求：能水平与竖向隔震隔震；良好的耗能能力；震后自复位功能；耐候、耐久性强；具有足够的抗（2）大跨空间结构隔震支座设计：确定适用不同大跨空间结构的三维隔震支座类型；明确三维隔震支座中的关键设计参数，给出大跨空间结构隔震设计建议；2、项目的特色和创新之处，以及要达到的主要技术指标及水平。（1）对现有的适用大跨空间结构的三维隔震支座进行较为详尽的分析，并建立有限元数值模型。采用该模型进行大跨空间结构三维地震作用下地震反应计算。大跨空间结构按支座反力分为，推力较小的空间结构和推力较大的空间结构。（2）分别计算小震小和大震下大跨空间结构的地震反应，比较采用不同三维隔震支座时结构的地震反应差别，选择较为适用的三维隔震支座形式。变化隔震支座的位置和数量，进行结构地震反应分析，给出较为实用的隔震支座设计参数，为实际工程三维隔震设计和应用提出具体建议。建立三维橡胶隔震支座的精确数值模型，给出适用于支座水平推力小和支座水平推力较大的三维隔震支座形式，为大跨空间结构隔震设计提出具体建议。3、研究工作的预期结果、成果提交方式及知识产权情况。通过本项目的研究，为大跨空间结构三维隔震支座的工程应用与发展奠定基础，使得工程设计人员对这种新型隔震支座的性能有较为全面的了解，通过进行隔震支座大跨空间结构的非线性时程分析，为不同结构形式大跨空间结构选择较为适用的三维隔震支座，以促进这种新型隔震支座更加多地应用到大跨空间结构抗震设计中，推动大跨空间结构隔震事业向规模更大、形式更新、技术要求更高的方向地发展。项目将提供如下具体成果：掌握三维橡胶隔震支座有限元精确模拟方法。确定适用于不同结构形式大跨空间结构的三维隔震支座形式。为地震区大跨空间结构隔震设计提出具体建议。三、研究方法和技术路线1、拟采取的研究实验方法、步骤、技术路线及可行性分析。研究方法以空间网格结构为例，引入不同三维隔震支座形式，使用大型有限元软件Ansys分析其受力特点及自振特性，并通过参数分析，系统研各种参数对结构动力特性和地震荷载下结构承载力的影响。采用非线性时程分析方法分析结构小震和大震下结构的动响应。时程分析法是应用最广泛的网格结构动力分析方法。该法直接输入地面运动加速度记录，对运动方程直接进行逐步积分，从而获得地震持续时间内结构的内力和变形随时间的变化过程。它建立在结构动力平衡方程的基础上，基本思想是把求解时间域[0,T]离散为n个时间段，且认为在每个时间段上位移、速度和加速度按线性规律变化，每个时间点处满足振动方程，依次从初始状态t=0时刻到终止状态t=T时刻逐步对方程进行数值积分，计算出各个时刻的位移响应，进而计算出速度、加速度、应变和应力等响应。它是对运动方程的直接求解，又称直接动力分析法。该方法全面考虑了幅值、频谱和持续时间三要素对结构的影响，可以很好地反映结构振动过程中刚度变化的实际情况及实际地震动全过程的作用，得到结构在整个地震过程中的动力响应。由于时程分析法能准确而完整地反映出结构在强烈地震作用下响应的全过程，不仅广泛应用于工程抗震研究，许多国家的抗震设计规范均把这种方法作为重要的计算方法之一。《建筑结构抗震设计规范GB50011-2010》中规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。技术路线（1）注重深入理论分析，掌握结构动力性能本项目所要研究的大震作用下索支撑空间网格结构的动力失效模式（包括动力强度破坏和动力稳定破坏）、破坏机理，抗震设计方法，以及考虑不同材料特点的结构抗震设计原则，都属于该类结构研究中较为困难的理论问题，但又是结构抗震设计中最为关键的问题之一。为此需要对上述问题进行更为深入的理论分析，掌握结构的抗震性能，为该类结构工程在地震荷载下安全性提供技术保障。（2）充分运用计算机进行数值模拟和大规模参数分析的研究方法。随着计算机计算能力不断提高和一些大型有限元软件的功能不断完善，在计算机上构建结构的精确计算模型并对其进行各种分析已成为可能。本项目通过对三维隔震支座的精确模拟，并进行地震反应计算分析各种隔震支座的优缺点和适用范围。此外，在分析结构的抗震性能提高程度和评价隔震支座效果时，需要考虑到多个参数的影响，并需要分析大量的工程算例，采用大规模参数分析的手段也是完全必要的。大量研究实践已经表明，计算机参数分析是一种独立、高效的研究手段，是对理论研究的补充、延伸和深化。这样做还可以使理论研究成果具有更强的实用价值。2、研究工作的总体安排及进度。2013年5月制定研究计划和具体实施方案，收集有关资料；2012年6月~7月全面展开理论研究和必要的程序编制工作；2013年8月~9月大规模的参数分析；2013年10月~11月各种必要的补充计算，逐步发表各种论文和报告；2013年12月撰写项目研究工作总结和其它必要文件，项目结题验收。四、项目研究工作基础和条件1、与本项目有关的研究工作基础。申请人从硕士阶段开始就一直从事大跨度空间结构领域的基本理论研究和工程实践，特别专长于大跨空间结构的结构抗震与工程设计理论研究。目前负责亚热带建筑国家重点实验室基金重点项目“索支撑空间网格结构在强震作用下的失效模式研究”和江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室基金重点项目“地表变形与地震作用耦合作用下单层网壳结构失效机制研究”，参与的科研项目有国家自然科学基金“十五”重点项目“大跨空间结构抗风抗震关键理论问题”和国家杰出青年基金项目“大跨空间结构抗震抗风研究”。通过这些科研工作掌握了单层空间网格结构的抗震性能，尤其在大跨空间结构大震弹塑性分析、大跨空间结构强震倒塌破坏和地震主要振动模态选取方面取得了一定成果。此外还完成包括无锡大剧院、苏州镇湖游客中心大跨屋盖、哈尔滨国际会展体育中心、深圳大运会主体育场、体育馆、游泳馆、惠州会展中心、深圳盐田体育馆和福建仙游体育场等工程在内的多项重大工程项目的结构试验、抗震计算、结构分析和结构监测任务。2、项目负责人主要学历和研究工作简历，近期发表的与本项目有关的主要论著和科研成果名称，获奖、申请和获得专利情况。冯若强：结构工程专业博士，副教授，博士生导师，中国钢结构协会钢结构质量安全检测鉴定专业委员会理事。2006年获哈尔滨工业大学结构工程博士学位。2006年~2009年1月，哈尔滨工业大学博士后。2009年2月~至今，东南大学土木工程学院。一直从事大跨空间结构体系与工程设计理论研究等方面的研究，已发表论文40余篇，其中SCI检索12篇，EI检索25篇。参加国家、省部科研课题7项。主持国家自然科学基金两项、江苏省自然科学基金一项，亚热带建筑国家重点实验室基金一项，广东省自然科学基金一项，中国博士后基金一项，江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室基金一项，教育部外国专家局项目两项，深圳市公共科技计划项目一项。参与的科研项目有国家自然科学基金“十五”重点项目“大跨空间结构抗风抗震关键理论问题”和国家杰出青年基金项目“大跨空间结构抗震抗风研究”。主要论著及科研成果，获奖情况[1]冯若强，武岳，沈世钊.单层索网结构地震反应分析.土木工程学报,2010,43(11):66~71.(EI收录)[2]RuoqiangFeng,YueWu,ShizhaoShen.Dynamicperformanceofcablenetfacadewithconsiderationofglasspanelsunderearthquake.JournalofHarbininstituteofTechnology.2010,9(3):313-317.(EI收录)[3]

RuoqiangFeng,YueWu,ShizhaoShen.Dynamicperformanceofcablenetfacade.JournalofConstructionalSteelResearch.2009,65(12):2217-2227(SCI,EI收录)[4]

RuoqiangFeng,JihongYe,YueWu,ShizhaoShen.Nonlinearspect