大跨空間結(jié)構(gòu)三維橡膠支座隔震設(shè)計研究

1、東南大學(xué)-海達股份隔震技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心計劃項目申報書項目領(lǐng)域：大跨空間結(jié)構(gòu)隔震項目名稱：大跨空間結(jié)構(gòu)三維橡膠支座隔震設(shè)計研究項目申請人：馮若強聯(lián)系電話： 83790910郵件地址：申請院系：土木工程學(xué)院建筑工程系申報日期：2013.5.6東南大學(xué)-海達股份隔震技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心二O三年制一、項目立項的意義及必要性隨著社會整體發(fā)展，建筑科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步以及人類生活的改善，規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進的大跨空間結(jié)構(gòu)在世界各國應(yīng)運而生，結(jié)構(gòu)形式向高、輕、大這三個方向發(fā)展?？臻g結(jié)構(gòu)具有空間跨度大，結(jié)構(gòu)整體剛度大，結(jié)構(gòu) 受力合理，耗材少、重量輕等優(yōu)點，致使大跨空間結(jié)構(gòu)體系具有廣闊的應(yīng)用前景。 隨著我

2、國國力的不斷增強，將需要建造更多更大的大空間建筑物。大跨度結(jié)構(gòu)往 往是人群集合和配置重要設(shè)施的場所，如何在設(shè)計和建造階段就使它們具有足夠 的抗震能力和合理的安全度一直備受關(guān)注。隔震技術(shù)由于能夠全面改善結(jié)構(gòu)的抗 震防災(zāi)性能和正常使用功能，因此受到各國科研人員的青睞，因而大跨結(jié)構(gòu)的隔 震已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)隔震控制理論和應(yīng)用研究的一個重要方向。隔震結(jié)構(gòu)的本質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件與可能引起的地面運動或支座隔離 開來，在許多的應(yīng)用中，隔震裝置是安裝在支座位置或基礎(chǔ)位置。 放在基礎(chǔ)位置， 稱為基礎(chǔ)隔震，放在支座部位，稱為支座隔震，如圖 1所示。隔震結(jié)構(gòu)的基本目 的，就是要大大減小傳到結(jié)構(gòu)上的地震作用和能量。

3、但是，地震荷載作用下，大 跨空間結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的動力特性， 其振型表現(xiàn)為水平或豎直方向的運動， 同 時也可能是水平和豎直方向運動的耦合。目前對于大跨空間結(jié)構(gòu)研究主要集中在 水平隔震方面，而對大跨空間結(jié)構(gòu)豎向隔震研究并不多。 應(yīng)用最為廣泛的普通疊 層橡膠支座（板式橡膠支座和盆式橡膠支座）暴露出諸多缺點：首先，它豎向剛 度很大，對豎向地震作用幾乎沒有隔震效果；其次，它水平剛度很小，在減震的 同時放大了上部結(jié)構(gòu)的水平位移， 而橡膠本身回復(fù)力差，導(dǎo)致在大變形下很難回 復(fù)到原位。而抗拔球形鋼支座，耗能能力不足。因此采用三維隔震支座是十分必 要的。（a）支座隔震（a）基礎(chǔ)隔震圖1大跨結(jié)構(gòu)隔震方案適用于大

4、跨空間結(jié)構(gòu)三維復(fù)合隔震的支座必須滿足以下要求：能水平與豎向 隔震隔震；良好的耗能能力；震后自復(fù)位功能；耐候、耐久性強；具有足夠的抗 拔與轉(zhuǎn)動能力。此外， 支座的高度不宜太大， 否則在隔震支座處會出現(xiàn)較大的附加彎矩，不利于支座的穩(wěn)定。目前正在研究中的三維隔震支座有形狀記憶合金- 橡膠復(fù)合支座、形狀記憶合金 - 橡膠 - 碟形彈簧復(fù)合支座、 碟形彈簧一橡膠隔震支座、 摩擦彈簧三維復(fù)合隔震支座，摩擦擺碟形彈簧支座。這些三維隔震支座各有優(yōu)缺點和適用范圍，需要根據(jù)大跨空間結(jié)構(gòu)自身特點，從中選擇較為適合的隔震支座類型。形狀記憶合金-橡膠復(fù)合支座包括形狀記憶合金和橡膠兩個部分，橡膠支座有一定的減震作用，但是

5、由于其為高分子化合物，老化較快，剛度小，變形大，造成安全隱患，無法調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力。大跨結(jié)構(gòu)跨度大，支座多，因此其應(yīng)用受到限制。形狀記憶合金的越彈性恢復(fù)力特性解決了上述問題。利用形狀記憶合金的超彈性恢復(fù)力特性，在地震作用下， 通過橡膠剪切變形，形狀記憶合金絲的超彈變形，耗散大量地震能量，使上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小。由于形狀記憶合金絲的純馬氏體彈性模量為20-30GPa， 故其有極大的極限應(yīng)變剛度， 從而可以防止隔震層位移過大而導(dǎo)致支座失穩(wěn)。形狀記憶合金-橡膠 -碟形彈簧復(fù)合支座采用疊層橡膠支座、 形狀記憶合金絞線和碟形彈簧復(fù)合而成，即在SMAr疊層橡膠支座的基礎(chǔ)上，上部串聯(lián)碟形彈簧 而成。支座下部采用

6、兩組交叉的形狀記憶合金（SMA）ge線，繞過固定于對面鋼板上的滑輪并同定于鋼板一側(cè)的兩個邊緣， 只要疊層橡膠支座的上下兩個鋼板發(fā)生水平相時位移，SM皎線就會隨著支座的變形而產(chǎn)生形變，從而提供回復(fù)力和阻尼。 支座上部的豎向隔震裝置由四片碟形彈簧兩兩對合組合串聯(lián)在一起， 然后在中心設(shè)置導(dǎo)向筒， 由導(dǎo)向筒來限制碟形彈簧的水平位移， 使它幾乎只能發(fā)生豎向位移。 在外部布置剛性外殼既能起到保護內(nèi)部碟形彈簧的作用， 叉便于上部結(jié)構(gòu)的安裝與連接。通過碟簧片數(shù)和型號的不同來變剛度，進而調(diào)節(jié)支座豎向剛度，達到很好的璧向隔震效果。碟形彈簧一橡膠隔震支座采用疊層橡膠支座和碟形彈簧復(fù)合而成， 其可以抵抗水平地震作用，

7、又可減輕豎向地震反應(yīng)， 具有三維隔震的效果。下部隔震支座結(jié)構(gòu)在地震作用下， 通過水平變形避開地震的卓越周期， 上部的碟形彈簧是一種南鋼板沖壓成碟形的薄板彈簧，與其它類型的彈簧相比，它的軸向尺寸較小， 徑 向尺寸較大，呈扁平型，具有體積小、承載能力大、緩沖和減震能力強的優(yōu)點，采用不同的組合方式（ 疊合或?qū)希?可以得到不同的負荷及變形特性， 適合于軸向空間緊湊、橫向空間較寬而負荷較大的場合。將碟形彈簧應(yīng)用在結(jié)構(gòu)隔震領(lǐng)域，可以通過調(diào)整碟形彈簧的規(guī)格和組合方式來獲得所需的剛度， 即保證能承受上部結(jié)構(gòu)的自重同時在豎向隔震方面起到良好效果。摩擦彈簧三維復(fù)合隔震支座水平隔震擬采用滑移隔震， 豎向隔震采用豎

8、向彈簧， 彈簧設(shè)置導(dǎo)向裝置。 普通摩擦隔震器的優(yōu)點是受地面運動頻率特性的影響很小，不會發(fā)生共振現(xiàn)象，缺點是結(jié)構(gòu)的滑移量隨地震強度的增加而增大。靜、動摩擦系數(shù)之差對隔震性能影響較大， 由于動摩擦系數(shù)比靜摩擦系數(shù)小， 滑動一旦開始，速度不斷增加，當(dāng)摩擦阻力減小較大時，就會出現(xiàn)類似于負剛度現(xiàn)象，這不僅會造成滑移量大，有時甚至可能出現(xiàn)滑移失穩(wěn)。因此， 需匹配合適的限位復(fù)位機構(gòu)。 采用普通摩擦滑移隔震器，其限位、 復(fù)位與抗滑移失穩(wěn)通過并聯(lián)輔助裝置實現(xiàn)。 由予普通摩擦滑移隔震器具有動摩擦系數(shù)比靜摩擦系數(shù)小和可能出現(xiàn)滑移失穩(wěn)的缺陷，為解決可能由動摩擦系數(shù)比靜摩擦系數(shù)小帶來的在結(jié)構(gòu)振動時水平剛度的衰減，將采用

9、并聯(lián)水平彈簧來解決上述問題，并保證支座的震后復(fù)位。豎向隔震采用的彈簧有兩種備選方案：柱狀螺旋彈簧和具有粘滯阻尼的碟形彈簧。前者具有加工方便和經(jīng)濟性好的特點， 但所能提供的阻尼有限； 碟形彈簧能克服普通阻尼不足的缺陷，但構(gòu)造相對復(fù)雜， 價格稍高。 為了克服豎向隔震裝置與水平隔震裝制在水平方向的剛度耦合， 考慮在豎向彈簧外側(cè)設(shè)置導(dǎo)向裝置。 當(dāng)支座豎向采用彈簧后，由于彈簧具有壓縮性， 當(dāng)支座中布置多組彈簧時， 其轉(zhuǎn)動能力也得到了相應(yīng)的保證。摩擦擺碟形彈簧支座是指水平隔震選用摩擦擺隔震器， 豎向隔震采用豎向碟形彈簧隔震器。摩擦擺隔震器在一定程度上能夠克服普通摩擦滑動支座的缺點。摩擦擺是具有弧形滑動面的

10、滑移隔震器，依靠重力復(fù)位。其中滑道半徑為 r,滑道面上涂有摩擦材料，如聚四氟乙烯等； 滑塊中有一關(guān)節(jié)， 其下底面半徑也為r ，以便與滑道完全貼合，該關(guān)節(jié)使滑塊的底面在其沿滑道滑動時水平。根據(jù)需要，滑塊下底面也可涂摩擦材料， 它一般與滑道上涂的摩擦材料相同。 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)自振周期較短時， 隔震結(jié)構(gòu)的周期可延長較大。 但過大的摩擦擺將使支座的高度增加，不利于支座的穩(wěn)定，因此需要限制摩擦擺的大小。目前， 大跨度空間結(jié)構(gòu)實際工程中采用較多的主要是水平隔震支座， 如在上海國際賽車場新聞中心屋蓋結(jié)構(gòu)的高位隔震中就采用了由盆式支座和普通橡膠支座組合而成的復(fù)合隔震支座來實現(xiàn)隔震。 江蘇省宿遷市文體綜合館采用的是

11、基礎(chǔ)隔震設(shè)計， 該工程位于中國地震高烈度區(qū)， 結(jié)構(gòu)體系包括鋼筋混凝土空間框架和鋼網(wǎng)殼屋蓋，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震層由橡膠隔震支座和粘滯阻尼器組成。日本Kyoto水上娛樂中心， 采用的也是橡膠支座隔震， 分析表明隔震結(jié)構(gòu)的動力特性得到了顯著改善，結(jié)構(gòu)特征周期也由0.88s延長到1. 297s。大跨空間結(jié)構(gòu)的三維復(fù)合隔震目前還處于初始階段，主要停留在研究階段，工程應(yīng)用較少。本項目的研究目的是深入分析各種三維隔震支座構(gòu)造和功能上， 建立各種隔震支座的數(shù)值模型， 采用該數(shù)值模型，針對不同大跨空間結(jié)構(gòu)形式，進行大跨空間結(jié)構(gòu)三維地震反應(yīng)分析。選擇適用于不同大跨空間結(jié)構(gòu)形式的三維隔震支座，為實際大跨空間結(jié)構(gòu)工程隔震設(shè)

12、計提供建議。二、研究內(nèi)容、目標(biāo)和擬解決的關(guān)鍵問題1 、具體研究開發(fā)內(nèi)容、目標(biāo)和要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題或開發(fā)的核心產(chǎn)品。研究目標(biāo)通過本項目的研究， 建立各種三維隔震支座較為精確的有限元數(shù)值模型， 并采用試驗結(jié)果校核數(shù)值模擬結(jié)果。 采用該三維隔震支座模型進行大跨空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時程分析， 確定各種參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響， 比較不同三維隔震支座的隔震效果。 確定不同結(jié)構(gòu)形式大跨空間結(jié)構(gòu)的隔震支座設(shè)計參數(shù)。 促進這種新型結(jié)構(gòu)隔震支座形式更加多地應(yīng)用到大跨空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)中， 以便更好的滿足各種建筑形式和功能對于大跨空間結(jié)構(gòu)的要求。研究內(nèi)容（ 1）三維隔震支座數(shù)值模型研究：采用Ansys建

13、立三維隔震支座有限元模型；采用試驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模型的準確性；（ 2）采用三維隔震支座大跨空間結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析：三維隔震支座大跨空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)頻譜特性研究；大跨空間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù)分析；不同隔震支座結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)比較。2）大跨空間結(jié)構(gòu)隔震支座設(shè)計：確定適用不同大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座類型；明確三維隔震支座中的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，給出大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計建議；2、項目的特色和創(chuàng)新之處，以及要達到的主要技術(shù)指標(biāo)及水平。（ 1）對現(xiàn)有的適用大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座進行較為詳盡的分析，并建立有限元數(shù)值模型。 采用該模型進行大跨空間結(jié)構(gòu)三維地震作用下地震反應(yīng)計算。 大跨空間結(jié)構(gòu)按支座反力分為， 推力較小的空

14、間結(jié)構(gòu)和推力較大的空間結(jié)構(gòu)。（ 2）分別計算小震小和大震下大跨空間結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，比較采用不同三維隔震支座時結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差別， 選擇較為適用的三維隔震支座形式。 變化隔震支座的位置和數(shù)量， 進行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析， 給出較為實用的隔震支座設(shè)計參數(shù)，為實際工程三維隔震設(shè)計和應(yīng)用提出具體建議。建立三維橡膠隔震支座的精確數(shù)值模型， 給出適用于支座水平推力小和支座水平推力較大的三維隔震支座形式，為大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計提出具體建議。3、研究工作的預(yù)期結(jié)果、成果提交方式及知識產(chǎn)權(quán)情況。通過本項目的研究， 為大跨空間結(jié)構(gòu)三維隔震支座的工程應(yīng)用與發(fā)展奠定基礎(chǔ)， 使得工程設(shè)計人員對這種新型隔震支座的性能有較為全

15、面的了解， 通過進行隔震支座大跨空間結(jié)構(gòu)的非線性時程分析， 為不同結(jié)構(gòu)形式大跨空間結(jié)構(gòu)選擇較為適用的三維隔震支座， 以促進這種新型隔震支座更加多地應(yīng)用到大跨空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中， 推動大跨空間結(jié)構(gòu)隔震事業(yè)向規(guī)模更大、形式更新、技術(shù)要求更高的方向地發(fā)展。項目將提供如下具體成果：掌握三維橡膠隔震支座有限元精確模擬方法。確定適用于不同結(jié)構(gòu)形式大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座形式。為地震區(qū)大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計提出具體建議。三、研究方法和技術(shù)路線1 、擬采取的研究實驗方法、步驟、技術(shù)路線及可行性分析。研究方法以空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為例，引入不同三維隔震支座形式，使用大型有限元軟件Ansys 分析其受力特點及自振特性，并

16、通過參數(shù)分析，系統(tǒng)研各種參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力特性和地震荷載下結(jié)構(gòu)承載力的影響。 采用非線性時程分析方法分析結(jié)構(gòu)小震和大震下結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)。 時程分析法是應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動力分析方法。 該法直接輸入地面運動加速度記錄， 對運動方程直接進行逐步積分， 從而獲得地震持續(xù)時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時間的變化過程。 它建立在結(jié)構(gòu)動力平衡方程的基礎(chǔ)上，基本思想是把求解時間域0,T離散為n個時間段，且認為在每個時間段上位移、 速度和加速度按線性規(guī)律變化， 每個時間點處滿足振動方程， 依次從初始狀態(tài) t=0 時刻到終止?fàn)顟B(tài)t=T 時刻逐步對方程進行數(shù)值積分， 計算出各個時刻的位移響應(yīng)，進而計算出速度、加速度、應(yīng)變和

17、應(yīng)力等響應(yīng)。它是對運動方程的直接求解，又稱直接動力分析法。 該方法全面考慮了幅值、 頻譜和持續(xù)時間三要素對結(jié)構(gòu)的影響， 可以很好地反映結(jié)構(gòu)振動過程中剛度變化的實際情況及實際地震動全過程的作用，得到結(jié)構(gòu)在整個地震過程中的動力響應(yīng)。由于時程分析法能準確而完整地反映出結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下響應(yīng)的全過程， 不僅廣泛應(yīng)用于工程抗震研究， 許多國家的抗震設(shè)計規(guī)范均把這種方法作為重要的計算方法之一。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011-2010中規(guī)定：采用時程分析法時， 應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的 2/3。技術(shù)路線（ 1）注重

18、深入理論分析，掌握結(jié)構(gòu)動力性能本項目所要研究的大震作用下索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力失效模式 （包括動力強度破壞和動力穩(wěn)定破壞） 、破壞機理，抗震設(shè)計方法，以及考慮不同材料特點的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則， 都屬于該類結(jié)構(gòu)研究中較為困難的理論問題， 但又是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中最為關(guān)鍵的問題之一。 為此需要對上述問題進行更為深入的理論分析，掌握結(jié)構(gòu)的抗震性能，為該類結(jié)構(gòu)工程在地震荷載下安全性提供技術(shù)保障。（ 2）充分運用計算機進行數(shù)值模擬和大規(guī)模參數(shù)分析的研究方法。隨著計算機計算能力不斷提高和一些大型有限元軟件的功能不斷完善， 在計本項目通過對算機上構(gòu)建結(jié)構(gòu)的精確計算模型并對其進行各種分析已成為可能。三維隔震支座的

19、精確模擬， 并進行地震反應(yīng)計算分析各種隔震支座的優(yōu)缺點和適 用范圍。 此外，在分析結(jié)構(gòu)的抗震性能提高程度和評價隔震支座效果時， 需要考慮到多個參數(shù)的影響， 并需要分析大量的工程算例， 采用大規(guī)模參數(shù)分析的手段也是完全必要的。大量研究實踐已經(jīng)表明， 計算機參數(shù)分析是一種獨立、 高效的研究手段，是對理論研究的補充、 延伸和深化。 這樣做還可以使理論研究成果具有更強的實用價值。2、研究工作的總體安排及進度。2013 年 5 月制定研究計劃和具體實施方案，收集有關(guān)資料；2012 年 6 月 7 月 全面展開理論研究和必要的程序編制工作；2013 年 8 月 9 月大規(guī)模的參數(shù)分析；2013 年 10

20、月 11 月各種必要的補充計算，逐步發(fā)表各種論文和報告；2013 年 12 月撰寫項目研究工作總結(jié)和其它必要文件，項目結(jié)題驗收。四、項目研究工作基礎(chǔ)和條件1 、與本項目有關(guān)的研究工作基礎(chǔ)。申請人從碩士階段開始就一直從事大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本理論研究和工程實踐， 特別專長于大跨空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗震與工程設(shè)計理論研究。 目前負責(zé)亞熱帶建筑國家重點實驗室基金重點項目 “索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在強震作用下的失效模式研究” 和江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室基金重點項目 “地表變形與地震作用耦合作用下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失效機制研究” ， 參與的科研項目有國家自然科學(xué)基金 “十五 ”重點項目 “大跨空間

21、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震關(guān)鍵理論問題 ”和國家杰出青年基金項目 “大跨空間結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)研究 ”。 通過這些科研工作掌握了單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗震性能， 尤其在大跨空間結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析、 大跨空間結(jié)構(gòu)強震倒塌破壞和地震主要振動模態(tài)選取方面取得了一定成果。 此外還完成包括無錫大劇院、蘇州鎮(zhèn)湖游客中心大跨屋蓋、哈爾濱國際會展體育中心、 深圳大運會主體育場、體育館、游泳館、惠州會展中心、深圳鹽田體育館和福建仙游體育場等工程在內(nèi)的多項重大工程項目的結(jié)構(gòu)試驗、 抗震計算、 結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)監(jiān)測任務(wù)。2、項目負責(zé)人主要學(xué)歷和研究工作簡歷，近期發(fā)表的與本項目有關(guān)的主要論著和科研成果名稱，獲獎、申請和獲得專利情況。馮若強：結(jié)

22、構(gòu)工程專業(yè)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全檢測鑒定專業(yè)委員會理事。2006年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程博士學(xué)位。2006年2009年1月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后。2009年2月 至今，東南大學(xué)土木工程學(xué)院。 一直從事大跨空間結(jié)構(gòu)體系與工程設(shè)計理論研究等方面的研究， 已發(fā)表論文40余篇，其中SC檢索12篇，E檢索25篇。參加國家、省部科研課題7項。主持國家自然科學(xué)基金兩項、 江蘇省自然科學(xué)基金一項， 亞熱帶建筑國家重點實驗室基金一項，廣東省自然科學(xué)基金一項， 中國博士后基金一項， 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室基金一項， 教育部外國專家局項目兩項， 深圳市公共科技計劃項目一項。參與的科研項目有國家自然科學(xué)基金 “十五 ”重點項目 “大跨空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震關(guān)鍵理論問題 ”和國