本文是一篇土木工程论文，本文以南阳南高铁站房大跨管桁架屋盖结构为背景，首先对大跨度管桁架结构采用屋盖隔震的效果进行研究；对抗震结构和屋盖隔震结构进行了非线性动力时程分析；在屋盖隔震的基础上，进一步对大跨管桁架屋盖结构进行减震设计，将BRB替换结构V柱部分杆件，并对减隔震结构进行非线性动力时程分析；
1 绪论
1.1 研究背景及意义
我国是地震灾害最严重的国家之一，近年来地震发生次数较多，受灾严重。2008年5月汶川县遭遇8.0级地震，统计数据显示，地震后受损坏的房屋超过1500万间，其中严重损坏593.25万间，垮塌的房屋546.19万间，经济损失巨大[1-3]。2013年4月芦山县遭遇7.0级地震，如图1-1，造成某些大跨空间结构发生明显破坏。地震的发生具有复杂且随机的特点，因此，增强结构的抗震性能，防止结构跨塌，减轻地震灾害，对保护人民生命与财产安全有深远意义。
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大跨管桁架结构近年越来越受到工程师的青睐，优点有外形多样、布置灵活、整体刚度大、应力分布合理、用材价格低、施工方便，已普遍应用于各类大型公共与标志性建筑[5]。这类结构使用后，大部分是人流密集场所，如果遭遇地震或其他自然灾害，结构的安全性与稳定性通常关乎数以万计人员的生命财产安全，所以对此类结构进行具体的抗震性能研究有重大意义[6-7]。
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1.2 大跨管桁架结构地震响应特性研究
通过大跨管桁架结构的地震响应特征可知，结构的动力响应受边界约束强弱的影响。较强的水平约束引发竖向振型，同时结构的自振周期短，地震响应大；较弱水平约束引发水平振型，同时结构的自振周期长，地震响应小。大跨空间结构在地震作用下的典型破坏特征见图1-2。因此在结构中布置隔震支座，延长自振周期，附加阻尼，使屋盖结构的水平位移主要发生在隔震层，结构自身位移较小。如此结构不产生大变形，整体仅作类似刚体的轻微平动，将有效减弱结构的动力响应，使屋盖结构能更有效地抵御地震作用。这就是大跨管桁架屋盖结构采用隔震技术的基本原理[13]。
大跨管桁架结构在地震作用下的动力响应具有三维性，大部分隔震技术能有效控制结构水平方向的地震响应，但对竖直方向的地震响应控制效果较弱，不能满足大跨管桁架结构三维地震响应控制的要求[14-16]。在大跨管桁架结构中采用屈曲约束支撑（简称BRB）替换部分构件，可以更有效地控制结构的竖向地震响应。
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2 大跨管桁架结构减隔震设计理论
2.1 大跨管桁架结构隔震支座设计
2.1.2 屋盖隔震时支座刚度的设计
屋盖隔震设计需要确定的关键参数有支座初始刚度Ku、屈服后刚度Kd、屈服力Qy与等效阻尼比ξe，首先为初步设计，关键目标是设计和选取合适的橡胶隔震支座，明确屋盖结构体系的承载特点与内力分布。接着为详细设计，关键目标是研究屋盖隔震结构的自身特性，明确结构的受力机理与弹塑性变形情况。
屋盖结构下部柱的抗侧刚度一般与隔震层刚度数量级相同，单质点模型不适合表述屋盖隔震时结构的力学特性，此时可采用串联弹簧模型，初步得出支座的性能参数，进而再准确分析屋盖隔震后，结构整体在地震作用下的受力及变形情况，得出支座的各项设计数值。可采用串联弹簧模型确定屋盖隔震结构的等效刚度、等效周期等结构参数。串联弹簧模型见图2-1。
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3.1 工程概况与项目受力特点
3.1.1 工程概况
南阳南站主体结构形式为倒三角桁架，长244m，宽56m，建筑面积50680m2，高度24.40m，楼面最大跨度24m。V柱悬挑端长度为26m,悬挑施工高度为23.7m，钢材总重接近5000吨，均采用Q345B。
3.1.2 项目受力特点
通过对南阳南高铁站房大跨管桁架屋盖结构的结构形式与构件布置初步判定可知，该结构沿Y轴对称分布，屋盖部分水平刚度整体分布均匀，下部型钢柱主要布置在主站房区域左右两端，站房候车厅顶部屋盖结构跨中型钢柱的数量较少。结构跨中区域刚度较弱，在地震作用下容易产生过大位移，竖向位移是大跨结构重要的控制参数，因此该部分的位移响应需要重点关注。
主馆站前有左右两处大型V柱，增大了该部分的抗侧刚度，在水平地震作用下该部分的动力响应会较大，需要着重关注两侧V柱杆件的变形与内力；同时，V柱两侧悬挑部分竖向刚度弱，容易发生竖向位移，该部分的位移响应也需要重点关注。
通过在屋盖结构中布置隔震支座，延长结构自振周期，并附加合适的阻尼，将有效减弱地震作用下的动力响应，同时屋盖结构的水平位移主要由隔震层提供，而结构自身不产生过大的相对位移，甚至仅作类似刚体的轻微平动。如此结构的变形较小，能更有效地抵御地震作用。同时采用BRB替换V柱的杆件可以更好地控制结构的内力与位移响应。
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3 设置隔震支座的屋盖结构动力时程分析 ........................... 14
3.1 工程概况与项目受力特点 ...................... 14
3.1.1 工程概况 ................................... 14
3.1.2 项目受力特点 ..................................... 15
4 设置BRB的屋盖结构动力时程分析 ......................... 45
4.1 BRB的参数取值及布置................................... 45
4.1.1 BRB的布置位置 ........................................ 45
4.1.2 BRB的滞回模型及参数取值 .......................... 45
5 屋盖减隔震方案优化及对比分析 ..................... 63
5.1 不同类型隔震支座布置的隔震性能对比分析 ............................ 63
5.1.1 隔震支座优化布置原则 ................................... 63
5.1.2 不同类型隔震支座布置方案 ............................... 63
5 屋盖减隔震方案优化及对比分析
5.1 不同类型隔震支座布置的隔震性能对比分析
5.1.1 隔震支座优化布置原则
大跨管桁架结构的地震响应特性表明，边界条件及约束强弱对结构的动力反应有较大的影响，因此可通过改变隔震层的水平刚度来控制结构在地震作用下的动力反应。综合考虑各种因素，在本节分析过程中，隔震支座优化布置方式遵循以下原则： 在保持其他参数不变的情况下，仅改变LRB600与LNR600两种隔震支座的数量来改变隔震层的水平刚度；将天然橡胶隔震支座LNR600布置在隔震层中间，铅芯橡胶隔震支座LRB600布置在隔震层四周，天然橡胶支座和铅芯橡胶支座混用，可以提高隔震效率；为保证隔震层偏心率满足规范要求，隔震支座按照平面对称布置。
5.1.2 不同类型隔震支座布置方案
不同类型隔震支座布置数量的组合方案如下：
方案1：12个为LNR600支座，40个为LRB600支座，见图5-1；
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6 结论与展望
6.1 结论
本文以南阳南高铁站房大跨管桁架屋盖结构为背景，首先对大跨度管桁架结构采用屋盖隔震的效果进行研究；对抗震结构和屋盖隔震结构进行了非线性动力时程分析；在屋盖隔震的基础上，进一步对大跨管桁架屋盖结构进行减震设计，将BRB替换结构V柱部分杆件，并对减隔震结构进行非线性动力时程分析；最后对三种隔震支座的布置方案与三种BRB的布置方案进行对比分析，得出以下结论：
（1）通过屋盖隔震，有效控制了上部屋盖结构的节点加速度与屋盖桁架杆件的轴力响应，下部型钢柱的轴力峰值与弯矩峰值也有效降低；替换V柱的杆件为BRB后，V柱在地震作用下的内力与位移明显降低。通过对抗震结构与减隔震结构的地震响应对比，证明了减隔震的有效性。
（2）隔震结构上部屋盖部分节点水平加速度的减震率最高为48%，节点竖向加速度的减震率最高为14%、杆件内力的减震率最高为43%、挠跨比的减震率最高为37%、基底剪力的减震率最高为64%，上部屋盖的地震响应明显降低；下部型钢柱轴力峰值的减震率最高为31%，弯矩峰值的减震率最高为79%，下部型钢柱的内力能得到有效控制；在地震作用下隔震支座滞回曲线饱满，滞回周期数多，能有效消耗地震输入的能量。
（3）屋盖节点水平位移的减震率最高为44%，屋盖节点竖向位移的减震率最高为22%，V柱杆件轴力峰值的减震率最高为62%；在地震作用下BRB滞回曲线饱满，滞回周期数多，能有效消耗地震输入能量。
（4）弹塑性分析结果表明结构薄弱区域主要分布在跨中位置主桁架与连接支座附近及V柱的部分杆件，隔震支座与BRB减小了结构的延性系数，有效的保护了结构，使得结构有良好的抗震性能，呈现延性屈服的机制。
（5）三种隔震方案中，布置4个天然橡胶隔震支座、48个铅芯橡胶隔震支座对大跨管桁架屋盖结构的地震响应控制效果较好；三种减震方案中，两侧V柱腹杆替换的BRB杆件轴线沿结构Y轴方向布置，对V柱的轴力和变形控制效果较好。
参考文献（略）