大跨隔震结构多点地震计算模型的几点注记作者： 国巍, 余志武, 柳国环, 田利 |
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2013 年10 月
摘要：为避免震害损失，大跨度结构的各支座常采用隔震支座，而隔震工况下的多点地震计算模型可能存在一定误差，本文意在阐明其误差根源并加以解决．首先给出了可用于大跨隔震结构多点地震响应分析的主要计算模型，采用严格理论推导探讨了各模型计算机理的异同和特色，并着重强调了位移模型的理论缺陷和误差，指出位移模型在大跨隔震结构中的盲目应用会导致严重错误，进而提出了实用有效的修正方法和理论依据．最后，以多自由度简化模型和机场维修机库大跨网架实际结构为例，对本文所提观点和建议进行了数值验证，证明了ＳＡＰ２０００内置位移模型在多点地震响应计算中的有效性 关键词：大跨隔震结构；多点地震；计算模型；位移模型；阻尼；误差 中图分类号：P 311.3 文献标识码：A 文章编号：０３６７－６２３４（２０１３）１０－－ Abstract：Long-span structures such as sport stadiums, exhibition centers and so on are usually subjected to multi-point earthquake excitations on their supports, and isolation techniques are often adopted to prevent earthquake damage and loss, then there may exist some obvious error in these long-span isolated structures' seismic responses calculated by multi-point earthquake calculation models. In this paper error reasons and corresponding solution methods are given. Firstly, several main calculation models for seismic analysis of long-span isolated structures under multi-point earthquake excitations are described, and their mechanisms and features are also explained by rigorous theoretical derivation. Furthermore, theoretical defects and error of displacement model are especially pointed out, which would lead to wrong results if arbitrarily utilized in long-span isolated structures. Then some modification and theoretical basis are given. Finally, a multiple degrees of freedom simple model and a real long-span space truss structure of hangar are given as numerical example, and viewpoints and suggestions in this paper are verified, and displacement mode inherent in SAP2000 software is applicable in seismic response calculation of structure under multi-point earthquake excitations. Key words：long-span isolated structure; multi-point earthquake excitation; calculation model; displacement model; damping; error 引言
近几年来，在我国许多以大跨度为显著结构特征、具有重要功能和象征意义的公共建筑纷纷出现，较具代表性的有国家体育馆、上海世博会主题馆、高铁客站和机场航站楼等．为了保障此类重要结构在地震极端灾害下的安全，可以通过设置减隔震装置来提高其安全度．作为一种较为成熟的被动控制策略，隔震装置在房屋、桥梁结构中应用已经较为普遍，而大跨结构隔震设计属于新兴研究领域，按照隔震位置通常可分为结构支座处整体隔震和屋盖系统隔震．国外相关研究较早的是Ｓｈｉｎｇｕ等［１］的工作，提出了一种适用于壳体结构的由弹簧和阻尼器构成的支座隔震系统，较为典型的工程应用是美国旧金山国际机场新国际航班中转站采用了摩擦摆隔震支座进行基础隔震［２］．国内徐庆阳等［３］研究了大跨空间网架结构的柱顶隔震方法，杨飚等［４］研究了弹簧支座和弹簧阻尼器支座两种隔震控制下Ｓｃｈｗｅｄｌｅｒ网壳结构的减震效果，而针对多维地震和较具技术难点的竖向隔震，李雄彦等［５］、王旭东［６］均开展了研究工作，并研发了有针对性的新型隔震支座，国内工程应用则以上海国际赛车场新闻中心工程较具代表性，其采用了由盆式支座和橡胶支座共同构成的组合隔震支座［７］．众所周知，无论隔震与否，大跨结构多点地震响应计算均需要采用特殊计算方法，如大质量法、大刚度法、位移模型和加速度模型等．大质量法和大刚度法是分别在结构底部附加数量级意义上的大质量和大刚度，二者均是对结构模型进行局部改造；加速度模型以相对位移为其计算特色，因其默认叠加原理，故具有一定局限性，仅适用于线性分析；位移模型在某种意义上类似于大刚度法，通过舍弃阻尼项实现地面位移输入，具有形式简洁直观、计算快速可靠等特征，广适于线性和非线性分析，也是大跨结构多点地震响应计算的主要方法之一［８］．然而，位移模型存在重要理论缺陷，如底部单元精细划分［９－１０］和存在集中阻尼［１１－１２］均可能带来显著误差．针对大跨隔震结构实际特征，有必要系统研究其多点地震计算模型的适用性．本文首先阐述了可用于大跨隔震结构地震响应计算的几类主要模型及其机理特征，继而通过理论推导阐述了位移模型中应注意的问题，并针对大跨隔震结构指出了可采用的修正方法．最后以多自自由度简单结构和机场维修机库大跨网架实际结构为例，数值验证了所提观点和建议的正确性．
结论
１）指出在大跨隔震结构中使用位移模型所需注意的问题，其根源在于位移模型推导中所忽略的阻尼项，若盲目忽略将在大跨隔震结构多点地震响应计算中导致严重误差．
２）在已有工作基础之上，建议了两种有效且实用的修正方法：无质量刚度元修正方法和位移激励修正方法，二者均能巧妙避开或弥补原位移模型中存在的误差问题，可以实现大
跨隔震结构地震响应的准确计算．
３）验证了ＳＡＰ２０００所采用到位移模型考虑了集中阻尼（非经典阻尼）影响，计算结果可靠，这一点与对经典阻尼的考虑不同
参考文献(References)： [1] SHINGU K, HIRATSUKA K. Dynamic response of base isolated rotational shell with edge beam and fuzzy vibration control of the shell[J]．International Journal of Space Structures, 1997, 12(3, 4): 173-179. [2] MOKHA A S, LEE P L, WANG X, et a1. Seismic isolation design of the new international terminal at sanfrancisco international airport [C] // Proceeding of Structures Congress, 1995: 95-98.[3] 徐庆阳, 李爱群, 张志强, 等. 某大跨网架结构屋盖隔震整体分析[J]. 工程抗震与加固改造, 2007, 29(6): 20-24. [4] 杨飚, 沈世钊, 周大睿. Schwedler型单层网壳结构隔震分析[J]. 华中科技大学学报(城市科学版), 2008, 25(3): 191-194. [5] 李雄彦, 薛素铎. 竖向隔震的机理研究和装置设计[J]. 北京工业大学学报, 2008, 34(10): 1043-1047. [6] 王旭东. 大跨网格结构竖向隔减震试验研究[D]. 东南大学, 2009. [7] 施卫星, 孙黄胜, 李振刚, 等. 上海国际赛车场新闻中心高位隔震研究[J]. 同济大学学报, 2005, 33(12): 1576-1580. [8] EDWARD L W. Static and dynamic analysis of structures[M]. Berkeley: Computer and Structures, Inc, 2004. [9] 柳国环, 李宏男, 林海. 结构地震响应计算模型的比较与分析[J]. 工程力学, 2009, 26(2): 10-15. [10] LIU Guohuan, GUO Wei, LI Hongnan. An effective and practical method for solving an unnegligible problem inherent in the current calculation model for multi-support seismic analysis of structures[J]. Science China(Technological Sciences), 2010, 53(7): 1774-1784. [11] GUO Wei, YU Zhiwu, LIU Guohuan, GUO Zhen. Possible existing seismic analysis errors of long span structures and bridges while utilizing multi-point earthquake calculation models[J]. Bulletin of Earthquake Engineering, Published Online, 2013, DOI:10.1007/s10518-013- 9462-3. [12] GUO Wei, YU Zhiwu, GUO Zhen. Error study of displacement model for seismic analysis of long-span structures subjected to multi-support earthquake excitations [C]// ICSBM, Guangzhou, 2011. [13] 柯世堂. 多点输入下大跨空间结构地震反应分析方法研究[D]. 哈尔滨：中国地震局工程力学研究所, 2007. [14] 柳国环，李宏男，国巍. 求解结构地震响应位移输入模型存在的问题及其AMCE实效对策[J]. 计算力学学报, 2009, 26(6): 862-869. [15] 柳国环，李宏男，国巍，等. 求解结构地震响应位移输入模型中存在问题的一种新解决方法[J]. 工程力学, 2010, 27(9): 55-62. [16] 柳国环，陆新征. 基岩地震谱与地震动位移输入的土–结构相互作用(SSI)计算模型改进[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30 (5): 884-892. [17] SU Liang, DONG Shilin, KATO S. A new average response spectrum method for linear response analysis of structures to spatial earthquake ground motions [J]. Engineering Structures, 2006, 28(13): 1835-1842. [18] 林海, 张学辉. 基于位移加载的地震时程分析在SAP2000中实现 [C] // 金土木用户大会论文集, 2011. [19] 刘树屯, 关忆卢. 首都机场306m跨飞机库屋盖钢结构设计施工中的一些问题[J]. 钢结构, 1996, 11(4): 4-8. [20] Guide specifications for seimic isolation design[S]. Washington DC: American Association of State Highway and Transportation Officials, 1991. |
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