国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区的南部,是奥林匹克中心区的标志性建筑之一。东临中轴线广场,南临国家游泳中心,西临信息大厦及公建用地,北临国际会议中心,位置重要,与国家体育场、国家游泳中心共同构成体育建筑组群。由体育馆主体建筑和一个与之紧密相邻的热身馆以及相应的室外环境组成的国家体育馆始建造于2004年,在2008年奥运会期间为竞技体操、蹦床、手球的场馆,并于2022年承接冬奥会赛事冰球男子比赛及女子半决赛决赛。

　　 为满足2022年冬奥会冰球、花样滑冰及短道速滑训练要求,在国家体育馆北侧新建训练馆(图1)。新建训练馆长97m,宽40m,地上2层,地下1层。地下1层为机房和车库,层高为4.8m; 1层为训练场地和运动员休息室,层高为5m; 2层为多功能用房、办公及食堂,层高为4.8m。结构采用混凝土框架支承的大跨度楼盖结构,下部结构采用混凝土框架; 屋顶为大跨重载桁架,跨度40m,高度5m,采用摩擦摆隔震支座,支承在8.580m高的混凝土柱上,并设置电涡流阻尼器耗能减震。桁架上下弦均布置压型钢板混凝土组合楼板,每平米竖向荷载达20kN。

　　 桁架结构顶部为钢柱支承的格栅装饰屋面,与原国家体育馆结构屋面无缝衔接,结构最高点标高为20.7m。扩建训练馆设计基准期为50年,设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为8度(0.2g),地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.55s,建筑抗震设防类别为标准设防类。

　　 近年来,大跨度重载结构不断涌现,但其结构设计过程中存在很多难点。新建训练馆结构设计主要有以下难点和重点:1)由于建筑东西长约100m,结构超长,且建筑四个角为核心筒,结构刚度大,温度效应显著; 2)结构跨度大、荷载重,桁架跨度为40m,每平米竖向荷载约为20kN,造成结构受力复杂、支座设计困难; 3)训练馆10m标高的大跨桁架层功能复杂、人员较多,抗震要求高。

　　 采用隔震技术可解决以上问题 ^[1,2,3,4]。橡胶隔震支座因其良好的隔震效果,广泛应用于多高层建筑的基础隔震、层间隔震。但由于大跨结构在支座处转角较大,而橡胶隔震支座转动能力有限、防火构造复杂,以及长期面压的限制(甲类、乙类及丙类建筑分别控制在10,12,15MPa),限制了橡胶隔震在大跨结构的应用 ^[5,6,7,8]。摩擦摆隔震支座因其采用抗压强度较高的摩擦材料(改性超高分子聚四氟乙烯,正常使用抗压强度为60MPa),所以支座竖向承载力高,可适应上部结构的转动且防火性能好,适用于大跨度重载结构的隔震。因此本工程桁架层支座采用摩擦摆隔震支座,减小地震作用和温度效应,同时设置电涡流阻尼器,增加隔震层减震耗能。

　　 下面对摩擦摆隔震支座+电涡流阻尼器组成的大跨重载隔震系统在国家体育馆新建训练馆的应用进行介绍。因该工程超长、重载、大跨的特点,具有一定工程代表性,可为其他类似运用隔震技术的工程提供参考和借鉴,具有一定的工程意义。

　　 摩擦摆隔震支座是一种具有自复位能力的隔震支座。1985年,摩擦摆隔震支座由美国Dr. VictorZayas首次提出,是一种有效的干摩擦滑移隔震体系。由于其良好的工程性质,受到了国内外学者较为深入的研究,并已被成功应用于实际工程中。摩擦摆隔震支座隔震消能的主要原理是将结构物本身与地面隔离,利用滑动面的隔离振动来延长结构的振动周期,以大幅度减少结构因受地震作用而引起的内力放大效应。此外,还可利用摩擦摆隔震支座滑动面与滑块之间的摩擦来达到大量消耗地震能量、减少地震力输入的目的(图2)。除以上特点外,其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能,可以有效地限制隔震支座的位移,使其震后恢复原位。摩擦摆隔震支座造价低、施工简单、承载能力高,除有一般平面滑动隔震支座的特点外,还具有良好的稳定性、复位功能和抗平扭能力 ^[9]。

　　 摩擦摆隔震支座主要包括不锈钢材料的球形滑面滑槽、涂有聚四氟乙烯材料的滑块、防脱落挡板以及用来与上部结构相连的盖板,其构造示意如图3所示。摩擦摆隔震支座通过球形滑面使上部结构发生单摆运动,隔震支座的周期T计算公式如下:

　　 ${\rm T}=2\text{π}\sqrt{R/g}(1)$

　　 式中R为曲率半径。

　　 隔震支座的刚度包括初始刚度K_i和摆动刚度K_fps,计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}{\rm K}{}_i=\mu W/D{}_{\text{y}}(2)\\ {\rm K}{}_{\text{f}\text{p}\text{s}}=W/R(3)\end{array}$

　　 式中:μ为动摩擦系数; W为竖向荷载; D_y为屈服位移。

　　 由于在建筑功能和建筑做法确定后,竖向荷载基本为定值,因此对于隔震支座的周期和刚度可通过选取合适的滑动表面曲率半径R来控制。隔震系统的阻尼包括摩擦摆隔震支座产生的阻尼和电涡流阻尼器产生的阻尼两个部分。摩擦摆隔震支座产生的有效阻尼B计算公式如下:

　　 $B=\frac{2}{\text{π}}\sqrt{\frac{\mu }{\mu +D/R}}(4)$

　　 式中D为隔震位移。

　　 摩擦摆隔震支座产生的有效阻尼由动摩擦系数来控制。由于防脱落挡板的存在,避免大震下及极大震下隔震支座的滑块滑出滑动面,保证了结构的抗震安全。地震中摩擦摆隔震支座的恢复力模型可简化成图4所示的双线性滞回模型,其中F为摩擦摆支座在隔震位移为D时承受的水平力,d为位移,f为荷载。

　　 图4中,等效刚度K_eff的计算公式如下:

　　 ${\rm K}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\mu W+(W/R)D(5)$

　　 电涡流阻尼技术根据电磁感应定律把物体运动的机械能转化为导体板中的电能,然后通过导体板的电阻效应耗散系统的振动能量。由电磁感应定律知,当导体板和磁场发生相对运动,并导致导体板内的磁通量发生变化时,导体板内就会产生电涡流(图5)。

　　 与摩擦阻尼器、黏滞阻尼器等常用的传统被动耗能减振装置相比,电涡流阻尼的产生不依赖于摩擦,也没有工作流体,避免了漏油,具有结构简单、可靠性高、耐久性好、阻尼系数易调节等优点。新建训练馆所采用的电涡流阻尼器进行最大阻尼力、速度相关性、频率相关性、疲劳性能等测试(图6、图7),测试结果满足《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012) ^[10]的要求。

　　 新建训练馆10m标高结构平面布置图如图8所示,主桁架东西向和南北向剖面如图9所示,桁架最大跨度达到40m,要求支座具有转动功能; 同时由于桁架上下弦均为混凝土楼面,为重载大跨度楼盖,支座竖向力大,因此桁架支座最初定为抗震球铰支座。但经过计算,由于桁架沿东西向长度达100m,且建筑四个角为抗侧刚度大的电梯筒,在温度作用下桁架层两端钢梁与电梯筒连接支座的水平力较大,结构杆件沿东西向温度内力也较大,温度效应已成为结构设计的控制工况,如表1所示。因此必须选择水平刚度较小的支座类型,故又进行了多种水平刚度较小的支座方案选择:1)弹簧支座采用板簧提供水平刚度和回复力,但由于板簧延性较差,当超过极限应变后容易脆断,难以满足抗震要求; 2)橡胶支座转动能力小,难以满足桁架层的较大转动需求,且由于面压限制,支座尺寸大; 3)摩擦摆隔震支座具有竖向承载力高、可适应上部结构的转动、防火性能好等特点。因此最后确定支座采用摩擦摆隔震支座。

　　 在2层钢结构下部的混凝土柱上(沿跨度方向混凝土柱截面分别为600mm×1 200mm和600mm×1 400mm),共布置有16套摩擦摆隔震支座(ZZ1),ZZ1上为8榀40m跨平面桁架(图9、图10); 在体育馆两端混凝土剪力墙的牛腿及柱顶设置了25套摩擦摆隔震支座(ZZ2),ZZ2上支承着楼面梁(图11)。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[11](简称抗规)第12.2.2条给出了隔震计算分析方法的相关规定。对于本工程,隔震支座设置在顶部大跨度钢结构和下部支承混凝土柱之间。

　　 摩擦摆隔震支座计算模型为双折线模型,桁架端部摩擦摆隔震支座参数如表2所示,8.58m标高和13.58m标高摩擦摆隔震支座布置如图10,11所示。由于上下两端靠电梯筒位置的摩擦摆隔震支座ZZ2分别位于2个标高(8.58m和13.58m),且支座布置不对称,为减小ZZ2支座对隔震层扭转刚度的影响,提高隔震效率,对于ZZ2采用了摩擦系数较小的隔震支座,减小支座ZZ2的水平刚度。为减小摩擦摆隔震支座在大震下变形,同时增加耗能,在主桁架两端的摩擦摆隔震支座ZZ1位置增加16套电涡流阻尼器,电涡流阻尼器参数如表3所示。结构计算模型如图12所示。

　　 隔震前,结构在X,Y两个方向的平动周期分别为0.36s和0.29s; 采用隔震结构后,小震下隔震层刚开始滑动,支座变形较小,隔震层刚度按小震下支座变形后对应的等效刚度K_eff确定,此时结构在X,Y方向的周期分别为0.78s和0.68s。大震下隔震支座发生大位移,隔震层刚度按大震后支座变形对应的等效刚度K_eff确定,结构在X,Y向的周期分别为2.64s和2.57s。

　　 在设防烈度地震作用下,桁架层传给隔震和非隔震结构的支座底总剪力如图13所示。桁架层支承结构在X,Y向的顶部剪力如表4所示。从图13和表4结果可以看出,采用隔震结构后,大跨桁架结构在X,Y两个方向的顶部剪力显著减小,平均值分别减小79%和82%,水平减震效果好,减震系数小于0.38(设置阻尼器),根据抗规第12.2.7条规定,隔震层以上结构水平地震作用可降低1度。

　　 以东西向边桁架下弦杆件轴力为例(Ⓕ～Ⓙ交⑧轴),对隔震前后小震人工波Y向输入和温度工况下的杆件轴力进行比较,分别如图14和图15所示。在小震工况下,隔震前后边桁架的杆件轴力均有大幅减小,以图中边桁架下弦右端杆件为例,隔震前轴力为96kN,隔震后为40kN,减小到隔震前的41.7%。在升温工况下,隔震后杆件温度工况下的轴力也大幅减小,同样以图中边桁架下弦右端杆件为例,隔震前升温工况下杆件轴力为-2 534kN,而隔震后为-1 340kN,减小到隔震前的53%。因此隔震后,杆件在温度工况和地震下内力均有大幅降低。

　　 为考察隔震后隔震层的扭转效应,选取隔震层主桁架四个角点作为典型位置(图16),隔震后两个方向的扭转位移角如图17所示,在X向中震输入下,点2与点3在X向的水平位移差最大值为7.18mm,最大扭转位移角为1/8 777; 在Y向中震输入下,点1与点2在Y向的水平位移差最大值为9.2mm,最大扭转位移角为1/4 122。隔震后扭转效应不明显,保证了隔震层的隔震效果。

　　 桁架支座在隔震前后,在升温30℃情况下的X向支座水平剪力对比如图18所示。隔震前最大水平剪力为1 878kN,而隔震后仅为121kN,为隔震前的6.5%,说明隔震后,结构的温度效应大幅减小。

　　 小震下隔震层最大总剪力为4 518kN(人工波,X向为主方向),小震作用下支座水平位移如图19所示。由图19可以看出,支座最大水平位移约为17mm,说明小震下摩擦摆隔震支座刚发生滑动。

　　 主桁架②轴交Ⓖ轴交点支座(8.58m标高)在大震下水平位移轨迹如图20所示,图中给出了人工波和天然波1在X向为主方向时的摩擦摆隔震支座水平位移轨迹,表5给出了该支座不同工况下的总水平位移值,最大位移为129mm。

　　 大震作用下,8.58m标高桁架端部支座最大总位移为134mm,13.58m标高摩擦摆隔震支座最大总位移为140mm,均小于支座位移限值150mm; 桁架上下弦间(8.58m标高与13.58m标高)的层间位移角最大值为1/639(人工波,X向为主方向); 放置摩擦摆隔震支座的核心筒,在8.58m标高与13.58m标高之间的层间位移角最大值为1/993(人工波,X向为主方向); 阻尼器最大阻尼力为426kN。

　　 通过对2022年冬奥会国家体育馆扩建训练馆摩擦摆隔震支座+电涡流阻尼器隔震系统的分析研究和工程实践,可得到以下结论:

　　 (1)对于超长、支承刚度较大结构,通过采用摩擦摆隔震支座与电涡流阻尼器的组合隔震系统,可显著减小结构的温度效应。

　　 (2)采用隔震技术后,隔震层以上结构的地震力大幅降低,显著提高结构的抗震性能。

　　 (3)本工程采用了错层摩擦摆隔震形式,通过提高桁架层的抗侧刚度,保证了错层隔震下的结构隔震效果,大震下桁架上下弦间(8.58m标高与13.58m标高)的层间位移角最大值为1/639。

　　 (4)由于摩擦摆隔震支座承载能力高,减小了下部支座构件的尺寸,同时通过防火涂料对支座进行涂装,即可满足防火要求,保证了火灾下支座受力安全。

　　 (5)通过采用电涡流阻尼器,避免了油缸漏油问题,提高了隔震系统的耐久性,试验研究表明采用的电涡流阻尼器性能满足设计要求。