大跨空間結(jié)構(gòu)三維橡膠支座隔震設(shè)計研究

東南大學(xué)-海達(dá)股份隔震技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心計劃項目申報書項目領(lǐng)域：大跨空間結(jié)構(gòu)隔震項目名稱：大跨空間結(jié)構(gòu)三維橡膠支座隔震設(shè)計研究項目申請人：馮若強(qiáng)聯(lián)系電話：83790910郵件地址：hitfeng@163.com申請院系：土木工程學(xué)院建筑工程系申報日期：2013.5.6東南大學(xué)-海達(dá)股份隔震技術(shù)聯(lián)合研發(fā)中心二○一三年制一、項目立項的意義及必要性隨著社會整體發(fā)展，建筑科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步以及人類生活的改善，規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大跨空間結(jié)構(gòu)在世界各國應(yīng)運(yùn)而生，結(jié)構(gòu)形式向高、輕、大這三個方向發(fā)展?？臻g結(jié)構(gòu)具有空間跨度大，結(jié)構(gòu)整體剛度大，結(jié)構(gòu)受力合理，耗材少、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，致使大跨空間結(jié)構(gòu)體系具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國國力的不斷增強(qiáng)，將需要建造更多更大的大空間建筑物。大跨度結(jié)構(gòu)往往是人群集合和配置重要設(shè)施的場所，如何在設(shè)計和建造階段就使它們具有足夠的抗震能力和合理的安全度一直備受關(guān)注。隔震技術(shù)由于能夠全面改善結(jié)構(gòu)的抗震防災(zāi)性能和正常使用功能，因此受到各國科研人員的青睞，因而大跨結(jié)構(gòu)的隔震已經(jīng)成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)隔震控制理論和應(yīng)用研究的一個重要方向。隔震結(jié)構(gòu)的本質(zhì)就是使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部件與可能引起的地面運(yùn)動或支座隔離開來，在許多的應(yīng)用中，隔震裝置是安裝在支座位置或基礎(chǔ)位置。放在基礎(chǔ)位置，稱為基礎(chǔ)隔震，放在支座部位，稱為支座隔震，如圖1所示。隔震結(jié)構(gòu)的基本目的，就是要大大減小傳到結(jié)構(gòu)上的地震作用和能量。但是，地震荷載作用下，大跨空間結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的動力特性，其振型表現(xiàn)為水平或豎直方向的運(yùn)動，同時也可能是水平和豎直方向運(yùn)動的耦合。目前對于大跨空間結(jié)構(gòu)研究主要集中在水平隔震方面，而對大跨空間結(jié)構(gòu)豎向隔震研究并不多。應(yīng)用最為廣泛的普通疊層橡膠支座（板式橡膠支座和盆式橡膠支座）暴露出諸多缺點(diǎn)：首先，它豎向剛度很大，對豎向地震作用幾乎沒有隔震效果；其次，它水平剛度很小，在減震的同時放大了上部結(jié)構(gòu)的水平位移，而橡膠本身回復(fù)力差，導(dǎo)致在大變形下很難回復(fù)到原位。而抗拔球形鋼支座，耗能能力不足。因此采用三維隔震支座是十分必要的。（a）支座隔震（a）基礎(chǔ)隔震圖1大跨結(jié)構(gòu)隔震方案適用于大跨空間結(jié)構(gòu)三維復(fù)合隔震的支座必須滿足以下要求：能水平與豎向隔震隔震；良好的耗能能力；震后自復(fù)位功能；耐候、耐久性強(qiáng)；具有足夠的抗（2）大跨空間結(jié)構(gòu)隔震支座設(shè)計：確定適用不同大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座類型；明確三維隔震支座中的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，給出大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計建議；2、項目的特色和創(chuàng)新之處，以及要達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)及水平。（1）對現(xiàn)有的適用大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座進(jìn)行較為詳盡的分析，并建立有限元數(shù)值模型。采用該模型進(jìn)行大跨空間結(jié)構(gòu)三維地震作用下地震反應(yīng)計算。大跨空間結(jié)構(gòu)按支座反力分為，推力較小的空間結(jié)構(gòu)和推力較大的空間結(jié)構(gòu)。（2）分別計算小震小和大震下大跨空間結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，比較采用不同三維隔震支座時結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差別，選擇較為適用的三維隔震支座形式。變化隔震支座的位置和數(shù)量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，給出較為實(shí)用的隔震支座設(shè)計參數(shù)，為實(shí)際工程三維隔震設(shè)計和應(yīng)用提出具體建議。建立三維橡膠隔震支座的精確數(shù)值模型，給出適用于支座水平推力小和支座水平推力較大的三維隔震支座形式，為大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計提出具體建議。3、研究工作的預(yù)期結(jié)果、成果提交方式及知識產(chǎn)權(quán)情況。通過本項目的研究，為大跨空間結(jié)構(gòu)三維隔震支座的工程應(yīng)用與發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使得工程設(shè)計人員對這種新型隔震支座的性能有較為全面的了解，通過進(jìn)行隔震支座大跨空間結(jié)構(gòu)的非線性時程分析，為不同結(jié)構(gòu)形式大跨空間結(jié)構(gòu)選擇較為適用的三維隔震支座，以促進(jìn)這種新型隔震支座更加多地應(yīng)用到大跨空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，推動大跨空間結(jié)構(gòu)隔震事業(yè)向規(guī)模更大、形式更新、技術(shù)要求更高的方向地發(fā)展。項目將提供如下具體成果：掌握三維橡膠隔震支座有限元精確模擬方法。確定適用于不同結(jié)構(gòu)形式大跨空間結(jié)構(gòu)的三維隔震支座形式。為地震區(qū)大跨空間結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計提出具體建議。三、研究方法和技術(shù)路線1、擬采取的研究實(shí)驗(yàn)方法、步驟、技術(shù)路線及可行性分析。研究方法以空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為例，引入不同三維隔震支座形式，使用大型有限元軟件Ansys分析其受力特點(diǎn)及自振特性，并通過參數(shù)分析，系統(tǒng)研各種參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力特性和地震荷載下結(jié)構(gòu)承載力的影響。采用非線性時程分析方法分析結(jié)構(gòu)小震和大震下結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)。時程分析法是應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)動力分析方法。該法直接輸入地面運(yùn)動加速度記錄，對運(yùn)動方程直接進(jìn)行逐步積分，從而獲得地震持續(xù)時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時間的變化過程。它建立在結(jié)構(gòu)動力平衡方程的基礎(chǔ)上，基本思想是把求解時間域[0,T]離散為n個時間段，且認(rèn)為在每個時間段上位移、速度和加速度按線性規(guī)律變化，每個時間點(diǎn)處滿足振動方程，依次從初始狀態(tài)t=0時刻到終止?fàn)顟B(tài)t=T時刻逐步對方程進(jìn)行數(shù)值積分，計算出各個時刻的位移響應(yīng)，進(jìn)而計算出速度、加速度、應(yīng)變和應(yīng)力等響應(yīng)。它是對運(yùn)動方程的直接求解，又稱直接動力分析法。該方法全面考慮了幅值、頻譜和持續(xù)時間三要素對結(jié)構(gòu)的影響，可以很好地反映結(jié)構(gòu)振動過程中剛度變化的實(shí)際情況及實(shí)際地震動全過程的作用，得到結(jié)構(gòu)在整個地震過程中的動力響應(yīng)。由于時程分析法能準(zhǔn)確而完整地反映出結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下響應(yīng)的全過程，不僅廣泛應(yīng)用于工程抗震研究，許多國家的抗震設(shè)計規(guī)范均把這種方法作為重要的計算方法之一?！督ㄖY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2010》中規(guī)定：采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3。技術(shù)路線（1）注重深入理論分析，掌握結(jié)構(gòu)動力性能本項目所要研究的大震作用下索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力失效模式（包括動力強(qiáng)度破壞和動力穩(wěn)定破壞）、破壞機(jī)理，抗震設(shè)計方法，以及考慮不同材料特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則，都屬于該類結(jié)構(gòu)研究中較為困難的理論問題，但又是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中最為關(guān)鍵的問題之一。為此需要對上述問題進(jìn)行更為深入的理論分析，掌握結(jié)構(gòu)的抗震性能，為該類結(jié)構(gòu)工程在地震荷載下安全性提供技術(shù)保障。（2）充分運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和大規(guī)模參數(shù)分析的研究方法。隨著計算機(jī)計算能力不斷提高和一些大型有限元軟件的功能不斷完善，在計算機(jī)上構(gòu)建結(jié)構(gòu)的精確計算模型并對其進(jìn)行各種分析已成為可能。本項目通過對三維隔震支座的精確模擬，并進(jìn)行地震反應(yīng)計算分析各種隔震支座的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。此外，在分析結(jié)構(gòu)的抗震性能提高程度和評價隔震支座效果時，需要考慮到多個參數(shù)的影響，并需要分析大量的工程算例，采用大規(guī)模參數(shù)分析的手段也是完全必要的。大量研究實(shí)踐已經(jīng)表明，計算機(jī)參數(shù)分析是一種獨(dú)立、高效的研究手段，是對理論研究的補(bǔ)充、延伸和深化。這樣做還可以使理論研究成果具有更強(qiáng)的實(shí)用價值。2、研究工作的總體安排及進(jìn)度。2013年5月制定研究計劃和具體實(shí)施方案，收集有關(guān)資料；2012年6月~7月全面展開理論研究和必要的程序編制工作；2013年8月~9月大規(guī)模的參數(shù)分析；2013年10月~11月各種必要的補(bǔ)充計算，逐步發(fā)表各種論文和報告；2013年12月撰寫項目研究工作總結(jié)和其它必要文件，項目結(jié)題驗(yàn)收。四、項目研究工作基礎(chǔ)和條件1、與本項目有關(guān)的研究工作基礎(chǔ)。申請人從碩士階段開始就一直從事大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基本理論研究和工程實(shí)踐，特別專長于大跨空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗震與工程設(shè)計理論研究。目前負(fù)責(zé)亞熱帶建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金重點(diǎn)項目“索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的失效模式研究”和江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金重點(diǎn)項目“地表變形與地震作用耦合作用下單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失效機(jī)制研究”，參與的科研項目有國家自然科學(xué)基金“十五”重點(diǎn)項目“大跨空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震關(guān)鍵理論問題”和國家杰出青年基金項目“大跨空間結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)研究”。通過這些科研工作掌握了單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗震性能，尤其在大跨空間結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析、大跨空間結(jié)構(gòu)強(qiáng)震倒塌破壞和地震主要振動模態(tài)選取方面取得了一定成果。此外還完成包括無錫大劇院、蘇州鎮(zhèn)湖游客中心大跨屋蓋、哈爾濱國際會展體育中心、深圳大運(yùn)會主體育場、體育館、游泳館、惠州會展中心、深圳鹽田體育館和福建仙游體育場等工程在內(nèi)的多項重大工程項目的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、抗震計算、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)監(jiān)測任務(wù)。2、項目負(fù)責(zé)人主要學(xué)歷和研究工作簡歷，近期發(fā)表的與本項目有關(guān)的主要論著和科研成果名稱，獲獎、申請和獲得專利情況。馮若強(qiáng)：結(jié)構(gòu)工程專業(yè)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全檢測鑒定專業(yè)委員會理事。2006年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程博士學(xué)位。2006年~2009年1月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后。2009年2月~至今，東南大學(xué)土木工程學(xué)院。一直從事大跨空間結(jié)構(gòu)體系與工程設(shè)計理論研究等方面的研究，已發(fā)表論文40余篇，其中SCI檢索12篇，EI檢索25篇。參加國家、省部科研課題7項。主持國家自然科學(xué)基金兩項、江蘇省自然科學(xué)基金一項，亞熱帶建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金一項，廣東省自然科學(xué)基金一項，中國博士后基金一項，江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金一項，教育部外國專家局項目兩項，深圳市公共科技計劃項目一項。參與的科研項目有國家自然科學(xué)基金“十五”重點(diǎn)項目“大跨空間結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震關(guān)鍵理論問題”和國家杰出青年基金項目“大跨空間結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)研究”。主要論著及科研成果，獲獎情況[1]馮若強(qiáng)，武岳，沈世釗.單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析.土木工程學(xué)報,2010,43(11):66~71.(EI收錄)[2]RuoqiangFeng,YueWu,ShizhaoShen.Dynamicperformanceofcablenetfacadewithconsiderationofglasspanelsunderearthquake.JournalofHarbininstituteofTechnology.2010,9(3):313-317.(EI收錄)[3]

RuoqiangFeng,YueWu,ShizhaoShen.Dynamicperformanceofcablenetfacade.JournalofConstructionalSteelResearch.2009,65(12):2217-2227(SCI,EI收錄)[4]

RuoqiangFeng,JihongYe,YueWu,ShizhaoShen.Nonlinearspect