大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究

1、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：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O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

2、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。

3、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

4、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 拔与转动能力。此外， 支座的高度不宜太大， 否则在隔震支座处会出现较大的附加弯矩，不利于支座的稳定。目前正在研究中的三维隔震支座有形状记忆合金- 橡胶复合支座、形状记忆合金 - 橡胶 - 碟形弹簧复合支座、 碟形弹簧一橡胶隔震支座、 摩擦弹簧三维复合隔震支座，摩擦摆碟形弹簧支座。这些三维隔震支座各有优缺点和适用范围，需要根据大跨空间结构自身特点，从中选择较为适合的隔震支座类型。形状记忆合金-橡胶复合支座包括形状记忆合金和橡胶两个部分，橡胶支座有一定的减震作用，但是

5、由于其为高分子化合物，老化较快，刚度小，变形大，造成安全隐患，无法调节结构内力。大跨结构跨度大，支座多，因此其应用受到限制。形状记忆合金的越弹性恢复力特性解决了上述问题。利用形状记忆合金的超弹性恢复力特性，在地震作用下， 通过橡胶剪切变形，形状记忆合金丝的超弹变形，耗散大量地震能量，使上部结构地震反应减小。由于形状记忆合金丝的纯马氏体弹性模量为20-30GPa， 故其有极大的极限应变刚度， 从而可以防止隔震层位移过大而导致支座失稳。形状记忆合金-橡胶 -碟形弹簧复合支座采用叠层橡胶支座、 形状记忆合金绞线和碟形弹簧复合而成，即在SMAr叠层橡胶支座的基础上，上部串联碟形弹簧 而成。支座下部采用

6、两组交叉的形状记忆合金（SMA）ge线，绕过固定于对面钢板上的滑轮并同定于钢板一侧的两个边缘， 只要叠层橡胶支座的上下两个钢板发生水平相时位移，SM皎线就会随着支座的变形而产生形变，从而提供回复力和阻尼。 支座上部的竖向隔震装置由四片碟形弹簧两两对合组合串联在一起， 然后在中心设置导向筒， 由导向筒来限制碟形弹簧的水平位移， 使它几乎只能发生竖向位移。 在外部布置刚性外壳既能起到保护内部碟形弹簧的作用， 叉便于上部结构的安装与连接。通过碟簧片数和型号的不同来变刚度，进而调节支座竖向刚度，达到很好的璧向隔震效果。碟形弹簧一橡胶隔震支座采用叠层橡胶支座和碟形弹簧复合而成， 其可以抵抗水平地震作用，

7、又可减轻竖向地震反应， 具有三维隔震的效果。下部隔震支座结构在地震作用下， 通过水平变形避开地震的卓越周期， 上部的碟形弹簧是一种南钢板冲压成碟形的薄板弹簧，与其它类型的弹簧相比，它的轴向尺寸较小， 径 向尺寸较大，呈扁平型，具有体积小、承载能力大、缓冲和减震能力强的优点，采用不同的组合方式（ 叠合或对合） 可以得到不同的负荷及变形特性， 适合于轴向空间紧凑、横向空间较宽而负荷较大的场合。将碟形弹簧应用在结构隔震领域，可以通过调整碟形弹簧的规格和组合方式来获得所需的刚度， 即保证能承受上部结构的自重同时在竖向隔震方面起到良好效果。摩擦弹簧三维复合隔震支座水平隔震拟采用滑移隔震， 竖向隔震采用竖

8、向弹簧， 弹簧设置导向装置。 普通摩擦隔震器的优点是受地面运动频率特性的影响很小，不会发生共振现象，缺点是结构的滑移量随地震强度的增加而增大。静、动摩擦系数之差对隔震性能影响较大， 由于动摩擦系数比静摩擦系数小， 滑动一旦开始，速度不断增加，当摩擦阻力减小较大时，就会出现类似于负刚度现象，这不仅会造成滑移量大，有时甚至可能出现滑移失稳。因此， 需匹配合适的限位复位机构。 采用普通摩擦滑移隔震器，其限位、 复位与抗滑移失稳通过并联辅助装置实现。 由予普通摩擦滑移隔震器具有动摩擦系数比静摩擦系数小和可能出现滑移失稳的缺陷，为解决可能由动摩擦系数比静摩擦系数小带来的在结构振动时水平刚度的衰减，将采用

9、并联水平弹簧来解决上述问题，并保证支座的震后复位。竖向隔震采用的弹簧有两种备选方案：柱状螺旋弹簧和具有粘滞阻尼的碟形弹簧。前者具有加工方便和经济性好的特点， 但所能提供的阻尼有限； 碟形弹簧能克服普通阻尼不足的缺陷，但构造相对复杂， 价格稍高。 为了克服竖向隔震装置与水平隔震装制在水平方向的刚度耦合， 考虑在竖向弹簧外侧设置导向装置。 当支座竖向采用弹簧后，由于弹簧具有压缩性， 当支座中布置多组弹簧时， 其转动能力也得到了相应的保证。摩擦摆碟形弹簧支座是指水平隔震选用摩擦摆隔震器， 竖向隔震采用竖向碟形弹簧隔震器。摩擦摆隔震器在一定程度上能够克服普通摩擦滑动支座的缺点。摩擦摆是具有弧形滑动面的

10、滑移隔震器，依靠重力复位。其中滑道半径为 r,滑道面上涂有摩擦材料，如聚四氟乙烯等； 滑块中有一关节， 其下底面半径也为r ，以便与滑道完全贴合，该关节使滑块的底面在其沿滑道滑动时水平。根据需要，滑块下底面也可涂摩擦材料， 它一般与滑道上涂的摩擦材料相同。 当上部结构自振周期较短时， 隔震结构的周期可延长较大。 但过大的摩擦摆将使支座的高度增加，不利于支座的稳定，因此需要限制摩擦摆的大小。目前， 大跨度空间结构实际工程中采用较多的主要是水平隔震支座， 如在上海国际赛车场新闻中心屋盖结构的高位隔震中就采用了由盆式支座和普通橡胶支座组合而成的复合隔震支座来实现隔震。 江苏省宿迁市文体综合馆采用的是

11、基础隔震设计， 该工程位于中国地震高烈度区， 结构体系包括钢筋混凝土空间框架和钢网壳屋盖，结构基础隔震层由橡胶隔震支座和粘滞阻尼器组成。日本Kyoto水上娱乐中心， 采用的也是橡胶支座隔震， 分析表明隔震结构的动力特性得到了显著改善，结构特征周期也由0.88s延长到1. 297s。大跨空间结构的三维复合隔震目前还处于初始阶段，主要停留在研究阶段，工程应用较少。本项目的研究目的是深入分析各种三维隔震支座构造和功能上， 建立各种隔震支座的数值模型， 采用该数值模型，针对不同大跨空间结构形式，进行大跨空间结构三维地震反应分析。选择适用于不同大跨空间结构形式的三维隔震支座，为实际大跨空间结构工程隔震设

12、计提供建议。二、研究内容、目标和拟解决的关键问题1 、具体研究开发内容、目标和要重点解决的关键技术问题或开发的核心产品。研究目标通过本项目的研究， 建立各种三维隔震支座较为精确的有限元数值模型， 并采用试验结果校核数值模拟结果。 采用该三维隔震支座模型进行大跨空间结构地震反应非线性时程分析， 确定各种参数对结构抗震性能的影响， 比较不同三维隔震支座的隔震效果。 确定不同结构形式大跨空间结构的隔震支座设计参数。 促进这种新型结构隔震支座形式更加多地应用到大跨空间结构抗震设计结构中， 以便更好的满足各种建筑形式和功能对于大跨空间结构的要求。研究内容（ 1）三维隔震支座数值模型研究：采用Ansys建

13、立三维隔震支座有限元模型；采用试验数据验证数值模型的准确性；（ 2）采用三维隔震支座大跨空间结构地震反应分析：三维隔震支座大跨空间结构结构频谱特性研究；大跨空间结构结构地震反应参数分析；不同隔震支座结构地震反应比较。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

14、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

15、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

16、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

17、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

18、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， 在计本项目通过对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。三维隔震支座的

19、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

20、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

21、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

22、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SC检索12篇，E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