1、随着经济社会的发展及人类生活的改善，建筑结构形式越来越向高、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，在我国得到了较大应用。但是大跨度结构往往是用于一些人员密集的公共建筑，如何减小其在地震作用下的响应，改善其抗震性能，也应该得到相应的重视。目前结构振动控制的研究应用主要在高层及高耸建筑，如何在大跨度空间结构运用这一结构振动控制技术, 引起了国内外学者的重视。大跨度自由曲面网壳结构的频率十分密集, 结构振型比较复杂。其与下部结构之间的连接情况, 对自由曲面网壳动力性能的影响十分显著。本文即是在这一背景下研究分析了自由曲面单层网壳的隔震性能,
2、 通过研究设置隔震支座的曲面网壳结构在地震作用下的动力响应, 总结网壳结构中隔震性能的规律, 为以后的网壳的隔震设计提供一些建议。在土木工程中常用的各种减震措施中，隔振技术是发展较为成熟的一种。许多采用了隔震技术的实际工程经受了地震考研，取得了较好的效果。目前，美日欧等国相继退出了与之相应的规范或标准，标志着隔振技术进入实用化的阶段。支座是大跨空间网壳结构的支撑部分，它起着传递上部结构的支承反力，协调上下部结构变形，并且直接传递下部地震作用到结构上。通过在空间网格结构与其支座间设置隔震装置，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，以减小传到网壳结构上的地震效应。地震动的输入算例中分
3、别采用了 EL-Centro 三向地震波(1940 年)和 TAFT 三向地震波输入，其地震波的时程曲线如下所示：X 向 EL-Centro 波时程Y 向 EL-Centro 波时程Z 向 EL-Centro 波时程X 向 TAFT 波时程Y 向 TAFT 波时程Z 向 TAFT 波时程计算模型 1采用了常见的四边形索支撑单层空间网壳结构，计算其在四边铰支和四边弹性支撑情况大震下的响应。该网壳跨度为 20m，长度为 30m。杆件采用方钢管，规格为 100mm100mm4mm，材料为 Q345 钢，弹性模量E=2.061011N/m2，索采用不锈钢绞线，弹性模量 E=1.31011 N/m2，索
4、的截面面积为 59.7mm2，索的初始预应力为 150Mpa。节点形式为刚接节点，支座采用理想铰支座，四边支承。作为对比，将其周边铰支座替换成弹簧支座，其他条件不变，计算地震下的反应。为简化计算，采用单向弹簧单元模拟各个方向的弹性支撑，具体的是采用ANSYS 中的 combin14 模拟弹簧支座，其竖向刚度取为 860KN/mm，水平刚度0.304KN/mm，阻尼比取为 0.05。图 1 周边铰支网壳模型 图 2 周边弹性支座网壳模型选用适合二类场地的 EL-Centro 波(1940 年)和 TAFT 波对其进行了 8 度罕遇(400gal)和 9 度罕遇地震(620gal)下的响应分析，三
5、向输入，采用 ANSYS 软件时程分析方法对结构罕遇地震作用下进行计算，比较了地震下最大节点位移，最大加速度和杆件最大应力值。计算上 EL-Centro 波和 TAFT 波时间间隔均为 0.02s，持时均为 40s。 结构自振特性首先分析结构在附加弹性隔震支座前后的自振特性，周边铰支和周边弹性支撑的前 30 阶自震频率见（图 2） ，从该频率曲线可见，采用了弹性支座后，结构的整体刚度降低，自振周期延长，即结构各阶频率降低。采用弹性支座后，该网壳的第一和第二自震周期分别由 0.784s 和 0.483s 提高到 1.040s 和 0.756s，表明结构动力性能得到了较好的提升。图 2 原结构和隔
6、震结构频率比较罕遇地震作用分析在网壳设置弹性支座情况下，先提取所有支座节点位移，求取平均值，然后再提取网壳曲面上节点的最大位移时程，二者相减即得到网壳结构上的最大节点相对位移。以下给出了罕遇地震作用下结构的基本响应。EL-Centro 波 TAFT 波图 3 周边铰支 400gal 地震波时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 4 周边弹性支撑 400gal 地震波时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 5 周边铰支 620gal 地震波时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 6 周边弹性支撑 620gal 地震波时 Z 向最大
7、位移时程对比图 3、图 4 和图 5、图 6 可知，对四边形索支撑单层空间网壳在采用弹性支座后，该网壳在 EL-Centro 波和 TAFT 波作用下，结构竖向的最大节点位移均有较大幅度降低，表明弹性支座的设置，起到了一定的隔减震效果，降低了地震激励对上部结构的影响。其他计算结果综合统计于下列各表：最大节点位移(mm)周边铰支 周边弹性支撑UX UY UZ UX UY UZELC 8 度 4.82 3.48 18.9 3.33 2.40 13.0TAFT 8 度 3.87 3.57 19.2 2.53 2.22 12.9ELC 9 度 7.56 5.39 28.7 4.97 3.71 19.3
8、TAFT 9 度 5.90 5.52 29.1 3.71 3.88 19.9最大节点加速度值(m/s 2)周边铰支 周边弹性支撑ACX ACY ACZ ACX ACY ACZELC 8 度 1.144 0.463 2.550 0.828 0.345 1.267TAFT 8 度 1.075 0.825 3.188 0.923 0.720 2.513ELC 9 度 1.775 0.725 3.938 0.728 0.265 1.814TAFT 9 度 1.656 1.269 4.841 1.378 1.046 4.007杆件最大等效应力值(Mpa)周边铰支 周边弹性支撑 降幅(%)ELC 8 度
9、69.8 49.2 29.5TAFT 8 度 74.6 53.5 28.2ELC 9 度 83.5 56.7 32.1TAFT 9 度 92.1 66.3 28.0由上表可知：弹簧支座一定程度上减小了该网壳结构在三个方向上的最大节点加速度，说明弹簧的设置已经起到了隔震的作用，降低了网壳的地震反应。但是对比数据可知，该支座对 EL-Centro 地震波下的隔震效果较 TAFT 波要好，这个可能是因为弹簧支座的设置，也减小了结构在地震作用下的杆件应力。计算模型 2前面计算了带预应力索的四边形空间网桥结构，下面针对更为常用的三角形单层空间网格结构进行计算。该网壳跨度为 50m，长度为 60m。钢杆件
10、采用方钢管，规格为 100mm100mm4mm，材料为 Q345 钢，弹性模量E=2.061011N/m2。节点形式为刚接节点，支座采用理想铰支座，四边支承。作为对比，将其周边铰支座替换成弹簧支座，其他条件不变，计算地震下的各项反应。采用 ANSYS 中的 combin14 模拟弹簧支座，其竖向刚度取为 860KN/mm，水平刚度 0.304KN/mm，阻尼比取为 0.05。图 7 周边铰支网壳模型 图 8 周边弹性支座网壳模型 分别用 EL-Centro 波和 TAFT 地震波对其进行了 8 度罕遇(400gal) 和 9 度罕遇地震(620gal)下的动力时程分析，比较了地震下最大节点位移
11、，最大加速度和杆件最大应力值等指标。计算上 EL-Centro 波和 TAFT 波时间间隔均为 0.02s，持时均为 40s。 结构自振特性首先分析结构在周边铰支和周边弹性支撑情况下的自振特性，周边铰支和周边弹性支撑的前 30 阶自震频率见（图 9） ，弹性支撑后自振频率有所降低。采用弹性支座后，该网壳的第一和第二自震周期分别由 1.684s 和 1.010s 提高到 2.119s和 1.727s，表明结构动力性能得到了较好的提升。图 9 原结构和隔震结构频率比较罕遇地震作用分析以下给出了罕遇地震作用下结构的基本响应。EL-Centro 波 TAFT 波图 10 周边铰支 400gal 地震波
12、时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 11 周边弹性支撑 400gal 地震波时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 12 周边铰支 620gal 地震波时 Z 向最大位移时程EL-Centro 波 TAFT 波图 13 周边弹性支撑 620gal 地震波时 Z 向最大位移时程同样可见，设置弹性支撑后结构的最大位移响应有所降低，支座起到了减弱地震效应的作用。其他计算结果综合统计于下表：最大节点位移(mm)周边铰支 周边弹性支撑UX UY UZ UX UY UZELC 8 度 11.3 9.95 47.0 7.84 7.05 32.3TAFT 8 度
13、 10.5 9.62 45.4 6.96 6.80 29.8ELC 9 度 17.5 15.4 69.2 11.4 10.4 46.3TAFT 9 度 15.5 13.9 66.3 10.4 9.67 46.7最大节点加速度值(m/s 2)周边铰支 周边弹性支撑ACX ACY ACZ ACX ACY ACZELC 8 度 0.859 0.363 1.938 0.732 0.307 1.545TAFT 8 度 2.228 1.551 5.710 1.922 1.391 4.899ELC 9 度 1.326 0.563 2.875 0.910 0.430 2.026TAFT 9 度 3.794 2.519 7.146 3.220 2.076 6.014杆件最大等效应力值(Mpa)周边铰支 周边弹性支撑 降幅(%)ELC 8 度 96.1 68.7 28.5TAFT 8 度 87.4 61.5 29.6ELC 9 度 115.2 79.6 30.9TAFT 9 度 106.7 73.3 31.3由上表数据可见，在同样峰值加速度的情况下，TAFT 地震波激励下，该网壳的最大节点加速度会明显大于 EL-Centro 波作用下的加速度峰值
