大跨度结构抗震分析方法及进展

大跨度结构抗震分析方法及进展刍议

摘要：本文主要针对某大型复合穹顶结构的抗震性能进行研究，对其结构的运动响应进行分析，得出该结构类型的薄弱点，并给予建议。对此类大跨度结构进行竖向抗震计算，在抗震设计中，取竖向地震和水平地震作用的最大值进行研究。

关键词：大跨度结构；复合穹顶；抗震分析

中图分类号：tu352.1+1文献标识码： a 文章编号：

地震属于非平稳的、随机发生的，针对地震具有复杂性和随机性的特点，对构筑物和建筑物会造成破坏，严重的导致建筑物倒塌。随着城市人口的骤增，城市抗震防灾问题也越来越受关注。随着新设备、新工艺、新材料以及新的设计理念的不断发展，很多结构新颖，造型别致的结构体系越来越多的呈现在人们的面前，越来越多公共建筑和体育场馆采用大跨度复合穹顶结构，这些结构多数对动荷载都比较敏感，但其动力计算方面均没有明确的规定，要结合结构本身进行分析。本文主要采用时程分析方法，对某大跨度穹顶结构的抗震性能进行分析。

1、工程实例

本工程属于复杂的混合结构的体现，结构周围采用30根混凝土柱进行支撑，在结构顶部跨越对称的两根钢管拱，穹顶与拱用钢索连接，钢拱的支座采用两个钢筋混凝土基础建造。结构的水平面投影接近于圆形，东西向的跨度长为104m，南北向的跨度长为99m，钢拱架的跨度长为114m，高度32m，钢拱与地面的夹角为54度，

如图1。屋面板的活载标准值和横载标准值均为0.5kn/m2。

图1某大跨度复合穹顶结构示意图

2、抗震性能分析（屋盖结构采用sap2000）

2.1结构自身特性

结构自身特性也就是结构的固有特性，是对地震响应分析的基础。文章对钢筋混凝土结构的柱和梁采用梁单元模拟，对钢架的腹杆、弦及网壳用三维杆单元模拟，钢索用索单元模拟，将整个模型分为12956个单元、6950个节点。表1为结构前16阶固有频率以及主振构件及振动形式：

表1 该结构前16阶固有频率

根据表1可知，大跨度穹顶结构振动的形式主要以平面外耦合振动为主，固有频率密集分布。因为结构对水平方面的动力荷载的影响相对较大。

2.2结构地震响应

（1）位移响应。因为该结构处于二类场地。为了结构的安全，需要对周期、场地等因素进行考虑，对结构的内力响应及位移进行计算，选择e1-centro波截取最大峰值为20s，选择kobe波截取最大峰值为14s，经过调幅折算为110cm/s2。将水平地震波下，结构的部门节点最大位移从不同方向输入，如表2所示：

表2结构位移响应

通过表2可知，受结构对称性的影响，在地震作用下，对称点的最大值非常接近，位移方向也是相同的。不管是沿着x还是z方向输入地震，拱架上的节点位移均在垂直方向上。与拱架不同，穹顶、钢筋混凝土柱上的节点最大位移与水平地震的输入方向是一致的。同样条件下，钢筋混凝土柱及穹顶的位移比拱架位移要小。

2.3结构内力响应

kobe波的输入方向对结构内力的影响不大，但是e1-centro波的影响非常大。尤其是部分杆件、索单元和输入的地震波及输入方向有密切的关系。由于结构自身具有复杂性，竖向地震输入和水平地震输入相比，结构的动反应要大很多，因此通常的网壳结构在抗震设计时，尽量不要采用竖向抗震设计。但是对于本文所例举的大跨度穹顶结构来说，不能忽略竖向地震，应该对水平地震、竖向地震下的结构动反应分别计算，然后取其大者进行设计。

2.3结构反力

对结构反力的研究发现，柱脚的结构反力比拱脚的结构反力小，以竖向为主，水平方向较小，而拱脚处两个方向的反力都比较大。竖向荷载大部分由混凝土柱和基础承担，水平荷载由穹顶钢拱架及基础承担，这样可以考虑将工程的基础连为整体增设水平支撑，共同抵抗水平力。

3、结论

本文主要采用时程分析法对大跨度穹顶结构进行地震响应的分

析研究，可以得到如下结论：

在同等条件下，节点位移较大的是拱架，钢筋混凝土柱及网壳的位置相对较小；拱脚的动反力比较大，柱脚的结构范例相对较小；拱脚的竖向反力与水平反力都比较大，而柱脚的竖向反力较大，水平反力可忽略不计。这些方面是解决动力设计时，需要考虑的问题。因为该结构具有复杂性，受竖向地震作用影响较大，因此不能忽视竖向地震。

该结构最薄弱的环节是垂直拱轴方向，如果这个方向出现过大的位移，就会导致稳定索松弛，承力索绷断，导致结构失效。

结构可加强穹顶结构支撑的抗侧刚度，从而减少整体结构尤其是穹顶结构等各部位侧移的绝对值和差值，给穹顶网壳结构提供较大均匀分布的刚度，对整体结构有利；也可根据建筑分隔沿环向布置环向桁架，稳定跨越对称钢管拱，提供外拱壳面外刚度及承担部分荷载，传递水平力与结构周边竖向构件形成整体，加强结构整体性参考文献：

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