随着社会的全面发展，建筑科学技术水平的不断进步以及人类生活的不断改善，规模宏大、形式新颖、技术先进的大跨空间结构具有广阔的应用前景。然而，在地震作用下，空间结构的地震反应复杂，一旦发生破坏，将造成巨大的灾害和损失。屋盖隔震技术根据空间结构的特点，在屋盖支撑处设置隔震层，提高结构的抗震能力，国内外学者对大跨度空间网架屋盖隔震设计开展了大量的研究工作^[1-6]。Mokha^[7]等人采用摩擦摆隔震支座对旧金山国际机场新国际航班换乘站进行屋盖隔震设计，研究了隔震系统设计参数和上部结构在不同地震水平下的反应，取得了较好的减震效果。沈之容、唐柏鉴^[8]将屋盖隔震技术应用于大跨空间结构，既能保护柱、基础等下部结构，又能保证屋盖侧移和隔震支座的变形在正常范围内，极大的提高了大跨空间结构的抗震安全性能。郭丽娜^[9]等人对某典型的钢结构大跨屋盖进行隔震设计，通过隔震结构与非隔震结构的地震反应分析表明:大跨屋盖结构采用屋盖隔震，不仅可以使结构满足挠度要求，还对屋盖剪力减震效果明显。隔震支座可以起到耗能减震的作用，有助于地震能量的耗散，减小上部屋盖的振动。Chen-xiao Zhang^[10]等人对具有下部支撑结构的双层格构空间结构进行了振动台试验，研究其抗震性能。讨论了模型不同高度处的加速度、位移以及构件处的应变等地震反应。总结了两种双层格构空间结构的典型破坏模式，并探讨了可能的破坏模式原因。

然而，对于大跨度空间网架屋盖隔震结构，结构的地震响应与基础隔震不同，由于其隔震层位置较高，可能会导致隔震层下部结构的地震作用加大。江宜城、刘朝强^[11]等人对某大跨体育馆结构屋盖隔震和不隔震两种情况下的动力反应进行了对比分析，结果表明:屋盖隔震结构的屋盖杆件内力明显地减小，但柱顶位移有所增大，对隔震层下部结构的不利影响。

本文以实际工程为例，采用简化后的力学模型，对屋盖隔震结构进行理论分析，以基底剪力最小为目标，确定了隔震层的最优参数。采用最优隔震参数，建立三维有限元模型，对大跨空间网架结构进行屋盖隔震设计，分别与非隔震结构和基础隔震结构进行抗震性能对比研究。研究表明，在最优隔震参数情况下，隔震层下部部分框架的层间位移角可能会出现增大现象，在设计中需要特别关注。

某国家甲级剧场，为混凝土框架支撑的空间网架结构(图1)。屋盖由上、下两部分网架组成，上部网架采用纵横向弦杆布置，下部落地区域的网架弦杆采用环形-竖直走向，环形走向的弦杆形成环箍，构件内力以轴力为主。为减少屋盖结构的挠度，下部的框架结构有两根柱伸到顶部支撑上部屋盖，四层(标高15.125 m)、五层(标高18.225m)刚度有突变，上部网架只与一层(标高4.3 m)和顶层(标高21.925 m)处的下部框架连接。

图1 结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of space truss

本工程为II类场地，地震设防烈度为7度(0.15g)，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)^[12]的要求选择地震动。考虑到在进行地震响应分析时，地震动记录选取的越多，地震动的不确定性就能得到充分的考虑。本文选择了12条满足要求的地震动记录，对结构进行弹塑性分析，其反应谱曲线如图2所示。

图 2 地震加速度谱与标准反应谱对比图
Fig.2 Comparison of seismic acceleration spectra with standard response spectra

根据最优隔震层参数确定屋盖隔震设计方案。隔震支座选用2个LRB600，16个LRB400， LRB600布置在中部支撑柱柱顶(标高21.925m)，LRB400的支座布置在框架柱柱顶(标高4.3m)。隔震支座的布置如图7所示。隔震支座参数见表3。

图7 屋盖隔震支座布置图
Fig.7 Layout of roof isolation bearings

表3 层间隔震支座主要力学性能
Table 3 Main mechanical properties of inter story isolation bearings

采用基础隔震设计方案时，隔震层设置在标高±0.00m处框架结构的柱底。隔震支座选用2个LRB700，2个LRB600，42个LRB500，2个LNR1000，2个LNR900，4个LNR800，5个LNR700，10个LNR600，26个LNR500。隔震支座的布置如图8所示。主要隔震支座参数见表4。

图8 基础隔震支座布置图
Fig.8 Layout of base isolation bearings

表4 基础隔震支座主要力学性能
Table 4 Main mechanical properties of base isolation bearings

本文针对大跨度空间网架屋盖隔震结构响应的问题，采用简化后的质点力学模型，对其进行理论研究，并进行了屋盖隔震设计。屋盖隔震结构分别与非隔震结构、基础隔震结构进行对比，研究三种结构的抗震性能，得到以下结论:

(1)质点模型与有限元二维模型计算结果趋势基本一致，且误差不超过20%。误差原因主要在于下部框架结构柱的标高不同，且仅有部分柱与上部网架结构连接，MATLAB两质点模型的计算结果具有合理性；以基底剪力最小为原则，最优刚度比在0.025~0.05之间，阻尼比对基底剪力的影响较小；根据最优刚度比对大跨度空间网架进行屋盖隔震设计。

(2)对屋盖隔震结构与非隔震结构、基础隔震结构的抗震性能进行了对比分析，主要结论如下:屋盖隔震结构与非隔震结构基底剪力

比值平均值为0.926，对于上部网架结构的挠跨比，屋盖隔震结构与非隔震结构挠跨比比值的平均值为0.990。屋盖隔震结构虽然隔震层位置较高，但对结构的基底剪力和上部网架结构的挠跨比仍有减震效果。屋盖隔震结构的屋盖隔震支座层X向剪力减震系数平均值为0.015，屋盖隔震结构代表性杆件轴力峰值的减震系数均小于基础隔震结构。屋盖隔震由于隔震层直接设置在上部屋盖与下部框架连接处，能明显减小上部大跨空间网架结构的杆件轴力和连接处的剪力。对于下部框架结构，直接与隔震层连接的框架的层间剪力和层间位移角有所减少，但未直接连接隔震层的部分框架的层间位移角略有增大，在结构设计时不容忽视，应适当加强。