大跨度钢网架结构的隔震技术应用与发展

大跨度钢网架结构的隔震技术应用与发
展
摘要：本文介绍了大跨度钢网架结构的结构形式，以及在建筑结构中的应用。

分析了隔震支座，屈曲约束支撑（BRB），阻尼器在大跨度钢网架结构隔震技术
中的应用与发展。

对大跨度钢网架结构隔震技术做出总结，并对大跨度钢网架结
构的隔震技术的应用提出建议，指出了大跨度钢网架结构隔震技术的发展方向，
为下一步大跨度钢网架结构的隔震技术研究和发展提供参考。

关键词：钢网架结构;支座；阻尼器；隔震技术
中图分类号：TU393.3 文献标志码：A
Application and Development of Seismic Isolation Technology for
Long-Span Steel Grid Structures
Yang Guang
(College of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou
510006)
Abstract：The structural forms of long-span steel grid structure and its applications in building structure are introduced in this paper.The applications and developments of bearing isolation, buckling restrained brace (BRB) isolation and damper isolation in long-span
steel grid structure are analyzed.The isolation technologies of long-span steel grid structure are summarized,and some suggestions on the application of seismic isolation technology of long-span steel grid structure are put forward.Moreover,the development directions of
seismic isolation technology for long-span steel grid structures are
pointed out,which provided reference for the further research and development of seismic isolation technology of long-span steel grid structure.
Keywords：Steel grid structure;Bearing;Damper;Isolation technology
(引言)：大跨空间结构的发展往往标志着一个国家建筑科学领域的进步。

近年来，在多种大跨空间结构的建筑形式中，网架结构是发展较为迅速的结构形式之一。

对于钢网架结构而言，由于其具有自重轻、柔性大、阻尼小和自振频率低等特性，这使得其对地震荷载更加敏感[1]，而大跨度空间钢网架结构常应用于大型公共建筑，其人流密集程度大，安全重要性高。

为此，需要采取适当的隔震技术已缓解地震对钢网架结构所带来的结构形式的损伤。

目前，不断完善和成熟的隔震技术是减轻地震灾害的最有效方法之一，这使得隔震技术在大跨度钢网架建筑结构中具有广阔的应用市场和发展前景。

1 大跨度钢网架结构分类和应用
1.1大跨度钢网架结构的分类
由于三角锥形式具有均匀受力，抗扭刚度大的效果，从而大跨钢网架结构主要采用该形式以获得较好的整体性能。

另外，大跨钢网架结构还包括其他比较常用的两种形式：交叉桁架体系和四角锥体体系。

其中，对于交叉桁架结构，斜腹杆与弦杆之间的类角不宜小于40°，且不宜大于60°。

而对于四角锥钢网架结构，腹杆处只设置斜杆，但当部分上、下弦节点处于同一水平线上时，则需要设置竖腹杆。

其中两种常见网架结构如图1-2所示。

图1 两向斜交斜放钢网架图2 正放四角锥钢网架
Fig. 1 Two-way oblique steel grid Fig. 2 Square pyramid steel grid
网架结构的形式一般根据建筑的跨度大小和平面布置形状、网架的荷载大小
以及支撑方式来进行选择，不同的网架形式适用范围各不相同：（1）当建筑结
构为矩形平面的周边支撑情况时，宜选用斜放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、棋盘形四角锥网架、两向正交正放网架和两向正交斜放网架。

（2）当建筑结构
为矩形平面的点支撑情况时，宜选用正放四角锥网架，正放抽空四角锥网架和两
向正交正放网架。

（3）当建筑结构的形状为圆形或多边形时，宜选用三角锥网架，抽空三角锥网架和三向网架。

（4）当建筑结构为大跨度时，特别是跨度超
过百米时，宜选用三向网架和三角锥网架。

另外，比较新型的网架结构还有球面
壳型网架、双曲抛物面壳型网架以及组合网架等。

1.2大跨度钢网架结构的应用
在上世纪初期，Alexander Graham Bell利用三角锥和四角锥单元构件组装
成钢网架结构[2]。

随后，第一个平板型网架结构（Mero体系）在德国建成[3]。

从
十九世纪五十年代开始，世界各国陆续出现各自的网架结构的标准。

目前国外的
网架标准模式主要有英国的NODUS体系，SPACE DECK体系，法国的UNIBAT体系，德国的MERO体系，日本的DAIMOND、NS体系等[4]。

国外著名的大跨度钢网架结构
建筑有美国加利福尼亚大学体育馆、美国新奥尔良市体育馆、加拿大卡尔加里体
育馆以及日本超级金字塔城等。

中国第一座大跨度网架结构天津人民体育场屋顶建于1956年，1973年因屋
顶火灾而重建。

此后，随着建筑技术的发展，大跨度空间建筑的数量逐渐增多，
为钢网架结构的产生和发展奠定了基础。

目前，钢网架结构在我国应用广泛，大
跨度钢网架结构主要应用于工厂、机库、仓库、体育场馆、剧院等。

比较典型的
大跨度钢网架结构有鸟巢、水立方、昆明国际机场、厦门太古飞机维修中心机库、北京大兴国际机场、广州体育馆等。

2 大跨钢网架结构的隔震减震技术
2.1隔震支座
大量研究结果表明，水平地震力在结构破坏中起着关键作用[5-6]，因此在现有
的隔震设计中，忽略了竖向地震作用的影响。

然而，在实际工程应用中，也需要
考虑竖向地震的作用。

隔震结构中使用的橡胶隔震支座具有较大的竖向承载力和相对较软的水平方向，既能保证建筑能承受结构自重，又能在地震作用下产生较大的水平位移[7]。

随着输入地震强度的增加,网架的竖向加速度减震率逐渐提高，网架结构的竖向隔震起着重要作用[8]。

21世纪初，叠层橡胶支座应用于日本著名的Saitama超级娱乐中心和Yamaguchi Kirara穹顶[9]。

1991年，陈芮、王志民介绍了球形复合支座和橡胶支座在1990年北京亚运会场馆中的应用情况[10]。

1992年，胥传喜、钱若军首次对大跨度钢网架结构隔震性能进行探讨，并对大跨度刚网格采用的隔震技术进行分析，说明了大跨度钢网架的隔震支座并不局限于平板橡胶支座[11]。

Ahmadipour等指出对于铅芯橡胶隔震支座，铅芯半径是影响其力学性能的最主要参数[12]。

王国安将铅芯橡胶隔震支座应用于大跨度Kewitt网壳结构中。

隔震系统不仅能降低结构的峰值响应，而且能有效地控制结构在地震持续期间的整体响应[13]。

李雄彦和谢鹏开发了一种用于网架结构支座隔震的低碳钢滚动轴承。

结果表明，低碳钢支座能有效地释放结构的温度应力，具有良好的隔震性能，可使结构的轴力响应降低20%左右[14]。

薛素铎、周乾通过对单层柱面网壳的隔震分析表明，SMA橡胶复合支座能有效地降低网壳结构的地震反应，且隔震效果优于普通橡胶支座[15]。

赵东、李爱群等设计并提出了一种能起到水平隔振和垂直隔振作用的新型多维减振隔振装置，并应用于大跨度空间网壳结构。

分析结果表明，这种支架具有明显的耗能效果，适用于各种空间结构[16]。

应用在大跨钢网架结构中的支座有很多种，通过查阅国内外关于结构隔震研究的相关文献资料，列举出钢网架结构中几类常见的减隔震支座，支座的详细构造如3-5所示。

图3 摩擦摆支座图4 SMA-橡胶支座
Fig. 3 Friction pendulum system Fig. 4 SMA-rubber bearing
图5盆式橡胶支座及橡胶支座
Fig. 5 Pot-type bearing and laminated rubber bearing
2.2屈曲约束支撑
屈曲约束支撑BRB(Bucking Restrained Barced)的支撑的中心是金属芯材，
为了避免芯材在受压下整体屈曲，即在受拉、受压下屈服，在钢套管中方放入芯材，然后混凝土或砂浆灌入套管之中[17]。

如图6所示，为屈曲约束支撑的结构图。

1994年北岭地震发生后，美国开始使用约束屈曲支撑体系[18]。

在1995年神户地
震发生后，约束屈曲支撑体系在日本被大量使用[19]。

邓国杰等指出当钢网架中抗
屈曲支撑的更换数量较少时，很难产生更明显的阻尼效应，而当更换数量较大时，网格的刚度减弱，阻尼效应减小。

因此，在两者之间，用适量的抗屈曲支撑替换
部分构件可以达到更好的减震效果[20]。

王秀丽、陈祥勇等将屈曲约束支撑应用于
网壳结构，指出约束屈曲支撑对网壳结构的阻尼作用非常明显，且位移的阻尼效
果优于轴向力的阻尼效果。

因此，约束屈曲支撑更适用于位移限制严格的大跨度
结构[21]。

到目前为止，有不少大跨度钢网架结构体系有采用屈曲约束支撑进行结
构的隔震减震，但相对于隔震支座，屈曲约束支撑在大跨度钢网架结构中的应用
还不够广泛。

图6 屈曲约束支撑结构
Fig. 6 Structural of buckling restrained brace
2.3粘滞阻尼器
粘性阻尼器通常由气缸、活塞和流体三部分组成。

活塞可以在气缸中前后移动。

活塞上有适当数量的阻尼孔，当流体通过阻尼孔时，阻尼器将阻力的能量转换为体系的热能，从而降低结构的响应，一般粘滞阻尼器的形式如图7所示。

黏滞阻尼器的使用最早在军事工程和航空领域之中[22]，正是因为如此，粘滞阻尼器从一开始便有很明确的商业目的，这里以美国的Taylor公司[23-24]为例，该公司的在建筑减振器材领域有绝对的话语权，在粘滞阻尼器方面的研究处于领先地位。

目前，粘滞阻尼器已广泛应用于钢网架工程实例中[25]。

日本的Kyoto水上娱乐中心的隔震体系应用到了粘滞阻尼器，起到了很好的隔震效果[26]。

为了限制深圳宝安国际机场3号航站楼结构在地震作用下的纵向位移，在加强桁架支撑附近安装了速度相关粘滞阻尼器。

实际结构的最大相对位移从190mm减小到61mm，阻尼器对结构抗震性能的影响非常明显，尤其是在大地震作用下[27]。

研究结果表明，附加粘滞阻尼器对大跨网架结构的振动响应可取得较好的减振效果[28]。

粘滞阻尼器可以减小网架结构的地震动响应，并具有一定的耗能能力。

粘滞阻尼器的构造和在钢架结构中的布置，见图8、9。

图7粘滞阻尼器的构造图8粘滞阻尼器结构布置
Fig. 7 Construction of viscous damper Fig. 8 Structural arrangement of viscous damper
3 结语
(1)大跨度钢网架结构的选型对建筑隔震设计有一定的影响，对于不同的钢网架结构形式应合理选用适合的隔震布置。

(2)将隔震支座，屈曲约束支撑，粘滞阻尼器等隔震技术应用于大跨度钢网
架结构中，都能取得良好的隔震效果。

隔震技术在大跨度钢网架结构中的布置方
案对隔震效果有很大的影响。

大跨钢网架结构的受力形式复杂，一般结合多种隔
震技术的特点，采用多种隔震方式的协同作用，才能取得良好的隔震效果。

(3)大跨度钢网架结构的隔震技术在国内具有广泛的研究和应用前景，但目
前相关的技术体系还不够完善。

在未来大跨度钢网架隔震技术可向组合隔震体系、创新型隔震技术以及规范化、标准化方向发展。

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