大跨度空间结构地震反应分析综述

侯芳园/华北理工大学

大跨度空间结构地震反应分析综述

侯芳园/华北理工大学

现如今随着科学技术的迅速发展，大跨空间结构的应用已经越来越广泛。但由于大跨空间结构动力特性的复杂, 因此如何提升大跨空间结构的抗震可靠性和经济适用性，一直是学术界和工程界非常关注的问题。所以发展和完善大跨空间结构的地震反应方法是十分重要的。基于大跨空间结构动力特性的基础，一般采用振型分解反应谱法。

大跨空间结构；地震反应分析；振型分解法

一、引言

大跨空间结构在体育性建筑、纪念性建筑、文化性建筑等领域应用十分广泛。而且大跨空间建筑具备重要的社会、政治、经济功能，当地震发生时，经常作为受灾群众的临时安置点和救助场所，所以保证大跨空间建筑在地震发生后的结构安全性和使用功能的连续性具有极其重要的意义。

二、国内外研究现状

因此大跨结构的抗震分析具有极其重要的作用，1959 年，Housner 基于反应谱理论给出第一条设计谱，此后，采用振型叠加反应谱方法进行结构地震作用效应分析成为结构抗震分析的主导方法。对于多高层建筑而言，一般运用质量参与系数累积量判断所考虑的振型数量是否达到要求。而对于频率密集的大跨度空间结构质量参与系数准则并不完全适用[1]。怎样选择结构地震反应主振型，才能有效缩减振型数量，成为空间结构应用振型分解法时需要谨慎处理的重要环节．同时，使用振型分解反应谱方法分析大跨度空间结构地震反应时，还需要考虑诸如多点输入效应、设计反应谱适用性等一些比较复杂的问题。

大跨度空间结构在多点地震输入下的力学机理,国外众多学者对此方面的运动规律、研究方法等做了大量的工作,也得出很多的重要结论。60年代Bonganoff,等人首先进行了行波效应对大跨度结构的研究。之后,Dibaj等[2]分析行波激励下土坝反应影响推导了多点输入的运动方程。Protti[3]研究了地震输入由于距离和频率的变化对于地震反应的影响。Har Cinadran[4]等川利用相干函数模型对一架悬索桥和两架拱桥进行分析,同时与仅考虑行波效应和一致输入效应进行分析,其结果表明一致地震输入的结果是难以接受的。Soyluk,Dumnagolu[5]对韩国Jindo的大桥进行行波分析和随机振动分析,结果表明视波速对结构的反应影响很大,一致输入的随机分析方法可能低估了结构的反应。

王前信、伍国驯等[6]根据海城地震和龙陵地震的记录计算了拱式结构对地震多点输入的响应。结果表明,多点输入较一致输入可能给出大很多的结果。项海帆[7]以天津永和桥为研究对象,讨论了相位差效应对斜拉桥飘浮方案地震反应的影。结果表明,相位差效应对斜拉桥是有利的。陈幼平同样以永和桥为实例,采用三维空间模型,分析结果同文献[7]的分析结果存在较人差异。其分析结果认为行波效应可能使斜拉桥地震反应显著增大。刘吉柱[8]以辽宁大洋河为工程背景,研究结果表明考虑行波效应时结构动力响应增加很多。陈厚群、侯顺载等[9]对东江双曲拱坝进行实际地震纪录作为自由场的输入,给出拱坝在多点激励下的计算结果。

目前,国内外学者对大跨空间结构的振动控制研究主要集中在网壳结构上,然而,网架结构与网壳结构虽然都是大跨度空间网格结构,两者动力反应特征是否相同、地震反应等问题都需要进一步研究,不过已有的网壳研究成果对网架结构的振动控制研究还是有着比较大的启发意义。国内外对于大跨空间网壳结构的振动控制研究主要包括以下三个方面[10]:

（一）下部结构加设阻尼器

在柱间支撑的位置加设阻尼器。对于大跨网壳结构,由于层高和跨度较大,地震时其柱顶和柱底的相对变形比较大,这时可利用支撑间的阻尼器起耗能作用。

（二）设置耗能减震支座

这是一种非常有效的减震隔震措施。在网壳的柱顶间设置隔减震装置,这种支座在减小外部激励的同时也能耗散振动能量。由于构造简单、耗能效果好,也应用于结构基础隔减震上。

（三）屋盖结构的耗能减震

此种方法是在网壳杆件中设置阻尼器或者将耗能杆件替一般杆件来耗能减震。一般来说网壳杆件在地震激励下变形不是很大,耗能效果具有一定的局限性。同时,对于不同的激励,网壳杆件的受力和变形情况不尽相同,为使加设的阻尼器能有效地减小各种地震激励,加设位置的优化和分析是非常必要的,且具有一定的难度。

三、总结

在抗震设计性能的设计下，适用于大跨度空间结构性能化抗震设计的地震反应分析方法有待发展。在抗震设计背景下，大跨度空间结构地震反应分析方法仍然是研究的热门方向。国内外学者和工程设计人员在现有计算手段的基础上，已经对空间结构地震反应的特点和规律有了一定的了解和掌握，有很多学者还将应用较多且较为成熟的结构地震反应分析方法进行综合分析，在此基础上研究发展出新的求解方法。但现有的计算分析手段和设计方法仍滞后于工程实际应用需要，进一步发展简单高效的大跨度空间结构地震反应分析方法仍然很有必要。

[1]LUO Y F, WANG L, GUO X N. Threshold value method and its application in dynamic analysis of spatial latticed structures[J]. Advances in Structural Engineering, 2012, 15(12):2215-2226.

[2]Dibaj D.Penzien J.Response of earth dams o traveling seismic waves[C].ASCE.1969,Vo1.95(2).

[3]Perotti F. Struetural response to non-stationay multiple-support random exeitation [J].EESD, 1990, 19; 513-527.

[4]Hariehnadrna R S,Haw wari A,Sweidan B N,response of longspan bridges to spatially Vaying ground motion [J].J Struct Eng,1996, 122(5) 476-484.

[5]Soyluk K, Dumanoglu A A.Comparison of asynchornous and stochastic dynamic responses of cable-stayed bridges[J],Eng Struct,2000,22: 4354-45.

[6]王前信,伍国驯,李云林拱式结构对地震多点输入的反应地震工程与工程振动, 1984, 4(2):48-81.

[7]项海帆斜拉桥在行波作用下的地震反应[J].同济大学学报,1983(2): 1-9.

[8]刘吉柱大跨度拱桥地震反应的行波效应分析[D].上海同济大学博士学位论文,1987.

[9]陈厚群,侯顺载,王均拱坝自由场地震输入和反应[J].地震工程和工程振动,1990, 10(2): 53-64.

[10]徐赵东,李爱群大跨空间网壳结构减震控制的研究与发展[J].振动与冲击,2005,3 (24): 59-62.