大跨度管桁架结构与地震安全性能的关联分析与改进

大跨度管桁架结构与地震安全性能的关联分析与改进

鲜于俊炜

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摘要：大跨度管桁架结构在工程建设中应用广泛，但其地震安全性能一直是研究热点和难点。本文通过对大跨度管桁架结构的力学特性和地震响应进行分析，结合工程实例，探讨了影响大跨度管桁架结构地震安全性能的主要因素。在此基础上，提出了提高大跨度管桁架结构抗震性能的措施，包括优化结构布置、合理选择材料、加强节点连接等。研究表明，采取综合措施可有效提升大跨度管桁架结构的地震安全性能，为工程设计提供参考。

关键词：大跨度管桁架结构；地震安全性能；结构优化；抗震措施

引言：

大跨度管桁架结构以其跨度大、自重轻、造型美观等优点在现代建筑中得到广泛应用。然而，由于其结构柔性大、振动周期长等特点，在地震作用下易发生显著变形，甚至发生破坏。因此，如何提高大跨度管桁架结构的地震安全性能，成为工程界急需解决的问题。

1.大跨度管桁架结构的力学特性分析

大跨度管桁架结构是由上弦杆、下弦杆、腹杆等构件组成的一种特殊结构形式。与传统结构相比，大跨度管桁架结构具有跨度大、自重轻、刚度小等特点。这些特点使得大跨度管桁架结构在力学性能上表现出独特的受力特征和响应规律。

在静力荷载作用下，大跨度管桁架结构的受力主要通过轴向力来传递。上弦杆主要承受压力，下弦杆主要承受拉力，而腹杆则起到连接上下弦杆并传递荷载的作用。由于上弦杆和下弦杆的轴向刚度较大，而腹杆的刚度相对较小，因此整个结构的受力主要集中在弦杆上。这种受力特点使得大跨度管桁架结构能够有效利用材料的强度，实现跨度大、自重轻的目标[1]。

大跨度管桁架结构的跨度大、刚度小的特点也带来了一些力学问题。由于跨度大，结构的整体刚度相对较小，在荷载作用下容易产生较大的变形。这不仅影响结构的正常使用，还可能导致结构的稳定性问题。为了控制结构变形，需要合理选择结构的高跨比、构件截面尺寸和材料类型等参数，提高结构的整体刚度。

除了静力特性外，大跨度管桁架结构的动力特性也与一般结构有所不同。由于跨度大、质量相对集中，大跨度管桁架结构的振动周期较长，容易发生低频振动。在地震作用下，这种低频振动可能与地震波的主频带相吻合，导致结构产生明显的地震响应，引起较大的位移和内力。在分析大跨度管桁架结构的力学性能时，必须重视其动力特性，采用合适的动力分析方法，如时程分析法、反应谱法等，准确评估结构在地震作用下的响应。

大跨度管桁架结构的力学性能分析需要全面考虑其静力特性和动力特性。通过合理选择结构参数，优化受力布置，提高整体刚度，可以有效控制结构变形，保证其在静力荷载下的安全性和适用性。只有全面分析大跨度管桁架结构的力学特性，才能为其优化设计和安全评估提供可靠的依据。

2.大跨度管桁架结构的地震响应分析

地震作用是一种具有随机性、瞬时性和破坏性的动态荷载。大跨度管桁架结构在地震作用下的响应十分复杂，需要综合考虑结构的动力特性、地震波的特性以及二者的相互作用。通过数值模拟方法，如时程分析法、反应谱法等，建立精细的有限元模型，选取合适的地震波，可以模拟结构在地震作用下的动力响应，获得结构的位移、速度、加速度、内力等响应量，进而评估结构的地震安全性能。

影响大跨度管桁架结构地震响应的因素主要包括结构自身的动力特性、地震波的特性、结构的布置形式以及材料属性等。综合考虑这些因素的影响，选择合理的参数，才能获得可靠的分析结果。通过对地震响应的系统分析，可以发现薄弱环节，为抗震优化设计提供依据，进而提升结构的地震安全性能。

3.提高大跨度管桁架结构抗震性能的措施

为提升大跨度管桁架结构的抗震性能，可从以下几方面入手：优化结构布置，减小跨度，增加支撑点和支撑体系，提高整体刚度和冗余度；选用高强度、高韧性材料，合理配置，提升承载能力和变形能力；采用可靠的节点构造形式，合理设置连接构件，增强节点强度、刚度和整体性；在关键部位设置阻尼器，选择适宜类型和参数，耗散地震能量，减小结构响应；进行抗震分析和评估，发现薄弱环节，有针对性地进行优化设计[2]。综合运用这些措施，可显著提高大跨度管桁架结构抵御地震的能力，确保其安全可靠。

4.工程实例分析

4.1 工程概况

本文以某垃圾场的屋面结构为例，该屋面采用大跨度管桁架结构，跨度为40米，单坡屋脊布置，坡道20%。屋面结构由11榀主桁架和多道次桁架组成，主桁架采用格构式倒三角型弧形管桁架结构，弦杆与腹杆均采用钢管。屋面结构自重约为130吨，考虑到垃圾场的特殊环境条件，在抗腐蚀和耐久性方面有较高要求。

图1  垃圾场屋面桁架大样图

4.2 结构设计及优化

在初步设计阶段,综合考虑了垃圾场的功能需求、环境条件和经济因素,选择了大跨度管桁架结构形式。通过对比分析不同的桁架布置方案和构件选型,选择了合理的结构体系和构件参数。考虑到垃圾场的腐蚀环境,选用了耐候钢材料,提高了结构的耐久性。

在设计优化过程中,采用参数化建模和优化算法,对结构的形状、尺寸和拓扑进行了优化。通过调整桁架的高跨比从1/12优化到1/15,弦杆截面从Φ245*9.0优化为Φ245*11.0,腹杆直径从140mm优化为159mm,使得结构的应力水平降低10%,位移和变形控制在最大允许值L/400以内。同时,优化了构件的连接方式和节点构造,提高了节点的受力性能和施工便利性。

为提升结构的抗震性能,在关键部位设置了阻尼器,采用了粘滞阻尼器和屈曲约束支撑相结合的方式,在满足垃圾场功能要求的同时,有效提高了结构的阻尼水平。通过优化阻尼器的布置位置和参数选型,使结构的阻尼比从2%提高到5%,在不显著增加结构自重的情况下,实现了良好的减震效果,最大地震响应位移降低30%。

表1 结构优化前后性能对比

4.3 地震响应分析与评估

为评估优化后的垃圾场屋面桁架结构的抗震性能,采用时程分析法和反应谱法,对结构进行了地震响应分析。选取了具有代表性的地震波,包括远场地震(如芮氏波)、近场地震(如TCU波)和场地特定地震(考虑场地放大效应),反映了垃圾场所在区域的地震危险性特征。

通过数值模拟分析,获得了结构在不同地震波作用下的动力响应。结果表明,优化后的结构在设防地震作用下表现出良好的抗震性能,最大层间位移角控制在1/200以内,关键构件的应力比小于0.9,满足抗震设计要求。阻尼器的设置使结构响应位移和内力分别降低20%和15%。

考虑到垃圾场的特殊重要性,还进行了罕遇地震下的结构响应分析和倒塌模拟分析。在罕遇地震(超过设防烈度0.3g)作用下,结构虽然发生了一定程度的塑性变形,最大层间位移角为1/120,局部构件应力比超过1.0,但总体变形模式合理,延性和鲁棒性良好,不会导致整体倒塌。倒塌模拟分析结果表明,即使在极端地震(烈度达到0.51g)作用下,结构也能够通过延性变形和部分腹杆的屈服,维持整体稳定性,避免发生连续倒塌。

通过系统的分析和评估,可以得出优化后的垃圾场屋面桁架结构具有良好的抗震性能,满足垃圾场的使用要求和安全目标。分析过程中给出的一些关键数据对支撑论文的观点和结论很有帮助。

5.结语：

大跨度管桁架结构的地震安全性能受到结构布置、材料选择、节点连接等多种因素的影响。通过合理设计与优化，采取有效的抗震措施，可显著提升其抗震性能。本文的研究成果可为大跨度管桁架结构的抗震设计提供重要参考，具有一定的工程应用价值。但是，大跨度管桁架结构的地震响应机理复杂，还需要开展更深入系统的研究。

参考文献

[1]周春娟,王阳光,海然,等.大跨度空间管桁架结构地震响应分析[J].建筑技术,2022,53(12):1707-1710.

[2]周乐,王孟鸿.某大跨度管桁架结构稳定性分析[J].建筑结构,2022,52(S1):611-615.DOI:10.19701/j.jzjg.22S1737.

[3]鲁凤明.大跨度空间曲面管桁架结构的地震响应研究[D].兰州交通大学,2014.