抗震支座在大跨度空间结构中的应用

2020-02-18游新宏

居业 2020年12期

游新宏刘浩姜鑫

(中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450000)

在新世纪下，大跨度空间基础结构表现出越来越多的优势，如造型美、受力均匀、灵活多样、工厂化水平高等，现已发展成为一种常用的空间结构。但我国很多地区都是地震区，而且空间结构如果跨度太大，往往需要注意地震方面的影响，尽量减小大跨结构的具体地震反应。目前，伴随人们不断深入研究结构减震技术，其中的抗震支座也越来越广泛地被推广应用在大跨空间基础结构中，从而有效解决了地震问题。

1 有关概述

1.1 大跨度空间结构

伴随物质与精神文明的飞快发展，人类也需要不断增大覆盖空间，来进行社会及生产活动。而在这种结构中，还应具有最小的支撑干扰和最大的空间。但普通平面结构在形式的限制下，难以跨越可以满足社会发展需要的更大空间。据实践研究发现，三维空间且受力均匀、空间状态好的结构，便可以达到大跨度结构方面的要求。这种大跨度空间形式的建筑现已在全球范围飞快发展，其中的基本单元主要包含三棱体、三角锥、截头四角锥、正方体等。通过基本单元，可以形成平面三边形、六边形、四边形、圆形等。这种大跨度结构工业水平高、轻质、稳定、美观等，故此被广泛地应用在体育馆、大型文艺建筑等当中。此外，在大跨度空间中，还具有相当丰富多彩的空间结构型式，而且结构形体和整体受力性能也紧密相联，兼具薄壳和网架的基本结构特点，还在持续创新结构型式。其中的网壳又存在单层及双层这两种网壳，在施工建设中，可以大量使用木材、钢、钢筋混凝土等建筑材料。

1.2 抗震支座

作为应用十分广泛的一种新型结构，大跨度空间基础结构的造型相当美观且质轻、刚度大，备受建筑师及结构设计师的一致青睐。但这种网壳结构却形式丰富多样、整体造型千变万化，而涉及大量的杆件及节点等，整个结构抗震也并不遵循一般的规律，所以该领域的抗震支座引起了广泛的关注。抗震支座就是在结构某底部位置或者中间，设置必要的减震或者隔震设备，来有效延长整个结构的实际自振周期，进而吸收大量的地震能量，减小上部结构的实际地震效应。

在大跨度结构中，抗震支座能够自由转动、加强承载能力，充分支撑上部结构产生的各种荷载，从而满足转动、传递、移动的要求，安全地集中反力合力。因为抗震支座能够承受各种力量，如拉、压、剪力等，所以在地震力的强作用下，如果上、下结构未遭到破坏，落梁、落架等严重后果就不会出现。这种支座尤其适合地震烈度高地区的设防，可抗9度地震。此外，这种抗震支座还具有很巨大的静刚度，在大跨度的巨大自重和质量惯性力的综合作用力下，抗震支座只是出现很微小的形变，可以安全、可靠地保持平顺度。在这种抗震支座中，一般会利用球面传力方式，且受力面积相当大，并且经由诸多种材料科学地组合而成，大幅缩小了体积、降低了高度，不仅质轻而且安装便捷、总造价不高。总体上看，抗震支座耐久性优异，支座可灵活转动等，具有很大的适用范围，特别是地震烈度很高的地方。

2 在大跨度空间结构中实践应用抗震支座

2.1 工程实际概况

某体育馆属于一种功能相当丰富的体育馆，主要存在训练馆、主场馆、大众馆、配套设施等组成部分。这种体育馆建筑主要用于体育比赛，并且兼作文艺汇演、大型展览、多功能会议等。

在体育馆中，主场馆的跨度为160m，训练馆的主桁架跨度为150m，大众馆具有140m的钢屋拱形盖，相应的矢高大小依次是24m，16m，10m。其中的上下弦分别通过两根圆钢管一起组合而成。在水平钢环粱中，箱形梁的高为1.2m，实际宽为0.56m，相应的壁厚20～40mm。在大跨度空间的主桁架与结构环梁间依次存在78，66，50榀数量的辐射基础桁架，用于增强主拱和环梁之间的联系强度。而三大辐射桁架依次具有35m，55m，15m的最大跨度。在空间辐射桁架上，存在主、次檩条结构，并且上面还覆盖着一个太阳板。从水平钢环梁上看，依次经由44个，54个，32个结构抗震支座，来连接平台上安装的钢筋混凝土梁，在整个钢屋盖下，设置有训练馆、主场馆、大众馆这些部分。

2.2 分布支座的情况

(1)支座分布的基本原则 1)达到承载力方面的要求，并且预留足够大的安全储备空间；2)能够承受得住拉、压、剪等之类的力，在随机出现的巨大地震力综合作用下，可以保持较显著的强度及优异的延性；3)具备相当显著的整体减震教果，并且支座能够达到水平阻尼、刚度等方面的性能要求；4)达到正常使用要求下的抗风标准需要。

(2)支座分布在本体育馆中，分布着一定数量的抗震支座。其中主场馆内部分布支座的形式为单轴对称方式，也就是绕长轴相互对称。而在大众馆、训练馆内部，主要绕长、短轴进行对称分布。

2.3 基本的支座性能

(1)性能情况在本体育馆工程中，一共有用到六种类型的抗震支座，且整体承载力、刚度、容许位移均满足要求。在这种支座当中，在水平方向的承载力大约为41%～56%的竖向承载力。在整个支座里面，出现的径向位移，在向外、向内、切向均不尽一样。在抗震支座中，剪切刚度往往相当大，并且远大于夹层橡胶类型的隔震支座，同时支座摩擦系数也相当小。

(2)滞回变化曲线在本体育馆工程中，据实验滞回曲线图显示，整个滞回环相对较瘦，进而说明阻尼并不大，也就是整体抗震性能十分理想。

(3)基本构造在本体育馆工程中，抗震支座具有球芯、盖板、橡胶密封圈等构造部分。在安装抗震支座时，需要通过螺栓结构，紧密连接支座底座和环粱(材质为钢筋混凝土)上设置的预埋钢板，并且通过螺栓结构，来紧密连接盖板和支座上部存在的钢环粱。

2.4 工程结果分析

针对本体育馆工程，借助国外最新研发的SAP2000分析程序来展开非线性分析工作。根据弹性来综合考虑上部结构、支座的基本力学性能。同时，沿着径向创建起等效类型的线性模型，并且沿着切向方向，设计滑动支座。相较于固定支座，大众馆、训练馆、主场馆中安装的主桁架最大应力位置(也就是桁架顶部)的上、下弦杆，在体育馆满载时出现的内力比依次是：0.65∶0.68,0.72∶0.74,0.75∶0.78。

2.5 抗震支座特点总结分析

在本体育馆工程中，抗震支座的整体特点主要涉及以下方面。①构造连接简单，施工安装起来相当便捷；②与橡胶隔震类型的支座相比，在上部结构方面并没有很大的刚度要求；③支座隔震能力和消能效果十分理想，相较于固定类型的支座，能够降低结构的整体内力；④这种抗震支座，分别在不同方向的力具有不一样的性能，所以计算显得有一定的复杂度；⑤与橡胶类型的隔震支座相比，支座具有更小的容许位移。