一種具有抗風減震裝置的高層建筑

曹夢雪 趙丹 黃侃如 恩禾 朱宇 顏喜林

摘? 要：隨著社會的不斷進步和經濟的持續推動下，一棟棟的高層建筑拔地而起，而高層建筑的結構設計，需要考慮眾多的因素，其中就包括了風和地震荷載影響。為了使建筑在地震和風的作用下保持結構的穩定，通常都會采用抗側力系統，而該文設計了抗風減震裝置，能夠在兼顧經濟性原則的前提下，保障建筑的穩定和安全，使其對地震和風具有更好的抗性。

關鍵詞：減震? 高層建筑? 創新設計? 結構改進

中圖分類號：TU973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）10（c）-0053-03

Abstract： With the continuous progress of society and continuous promotion of economy， high-rise buildings have been built， and the structural design of high-rise buildings needs to consider many factors， including the impact of wind and earthquake load. In order to keep the structure stable under the action of earthquake and wind， the anti-lateral force system is usually adopted. In this paper， the anti-wind shock absorption device is designed， which can guarantee the stability and safety of the building and make it more resistant to earthquake and wind on the premise of considering the principle of economy.

Key Words： Shock absorption; High-rise buildings; Innovative design; The improved structure

如今的高層結構建筑，很多都采用仿竹結構，這樣的結構能夠很好地兼顧質量、成本、抗震性、美觀感等方面的需求，達到自重輕、穩定性好的目的。

竹結構采用了環狀斷面，所以抗彎剛度非常強;竹子的纖維在抗拉強度、抗壓強度方面表現十分突出，和梁相同，由內、外彎面承受拉力和壓力，展示出極強的韌勁，很難折斷;更重要的是，竹節可以傳遞彎矩和剪力，即便是受到地震的影響，也難以出現脆性破壞，有效地改善了建筑的延性[1]，另外，竹節還能夠提高抗彎曲性，在地震影響下也具有良好的穩定性，這對高層建筑具有啟示意義。現代輕鋼框架結構具有設計理念新穎，用鋼材量較少（省材）;結構體系新穎，荷載與地震作用小，基礎形式簡單，安全可靠;生產、設計、施工一體化;外形輕巧美觀，空間布置靈活;輕鋼框架結構是一種延性體系，發生破壞時發生的是延性破壞，有明顯的預兆，有利于居民的人身安全，且抗震性能相對比較好;其在布置平面與設計的時候具有很大的靈活性，利于施工前的考量與選擇;現代輕鋼框架結構十分簡單，且各部分的剛度相對都比較均勻，有利于施工，縮短施工本來需要的工期，在總體上提高施工的效率，增加施工的整體效益;其自振的周期比較長，且自身的重量不大，因此對于地震作用不會像老式建筑那樣敏感，有利于抗震等優點。目前我國的鋼筋混凝土多層框架房屋結構設計的優點體現在許多方面，具體如下。

（1）采用鋼筋混凝土的結構設計與相對比較傳統的房屋結構設計相比，更具有靈活性。針對建設位置、不同外觀與質量的不同，可以靈活地進行不同方面的調整，有利于適應不同建筑物的不同需要，進行具體問題具體分析，從而更好地設計更符合人類居住需要的建筑結構。

（2）采用鋼筋混凝土的多層框架房屋結構設計，能夠保證建筑物的選址與空間之間布局更加合理。此合理性不僅有利于人們后期在該建筑物中生活，且使建筑物具有相當高的實用性，從而在某種意義上有效地提高了人類在建筑物使用中的效率。

（3）采過鋼筋混凝土多層框架房屋結構設計，還能夠保證我國建筑物的質量以及工期方面得到更好的改善。與傳統的房屋框架結構設計相比，鋼筋混凝土多文獻綜述帶屋頂水箱的多層房屋結構設計7層框架房屋結構的設計，由于目前采用鋼筋混凝土密度相對較大的原材料進行設計，以及鋼筋混凝土材料在實際的應用過程中具備比較強的剛性性質，所以可以保證整個建筑物在后期的應用過程中具備更強的穩定性。

鋼筋混凝土多層框架結構相較其他結構設計還有許多的優點，不僅體現在這3點，這里就不再贅述。多層鋼筋混凝土結構的抗震原理：由于目前使用的鋼筋混凝土的密度相對較大的原材料進行設計，以及鋼筋混凝土在實際的應用過程中具備較強的剛性，所以可以保證整個建筑物在后期的應用過程中具備更強的穩定性。多層的設計比單層的設計，不僅能夠保證房屋建筑物的穩定性和堅固性得到有效提高，因此，能夠保證在地質災害頻發的地區，對地震的抗擊性能起到更好的防御作用。

1? 抗風減震裝置的創新原理

為了研究高層結構，采用的創新抗風減震模型，由小振動臺系統、多層結構模型以及屋頂水箱構成，然后利用鐵塊模擬風的荷載，將水箱固定在屋頂。最后利用螺栓和竹制底板，把這3個部分結合成一個整體。

抗風減震模型設計旨在優化模型的結構形式，確定最佳的鐵塊放置方式，實現預期的穩定性和剛度，在考慮地震因素下，確定結構模型的材料效率比，為高層建筑的結構設計提供理論上的指導。

要使材料強度性能得到充分體現，確保整體結構具有足夠的穩定性，需要進行多次的試驗，找到最佳的斜撐位置。試驗結果表明，斜撐位置是決定模型抗震性的關鍵因素，最佳的位置能夠確保柔性在最大程度上體現出來，實現以柔克剛的效果，降低地震對結構造成的影響（見圖1）[2]。

鐵塊是決定結構自振周期的重要因素，結構的抗震性直接與之相關，所以鐵塊數量和空間位置非常關鍵。該模型中布置了3層鐵塊，為確保結構具有足夠的穩定承載力，需要優化鐵塊的布置，具體布置方式見圖1。

屋頂水箱起到的是調液質量阻尼器的作用，具有被動控制的效果。它被固定在結構最頂部位置，如果結構被施加水平荷載作用并因此而振動，水箱中的水會震蕩，形成水壓力施加給器壁和結構，隨之產生反作用力，水可以吸收結構振動形成的能量[3]。基于結構的自振頻率，合理設計水箱中液體的體積，由此能夠確定最佳的調液質量阻尼器尺寸（見圖2）。此次結構模型設計中采用竹材：1250 mm×430 mm×0.50mm、1250 mm×430 mm×0.35 mm厚本色側壓雙層復壓竹皮;0.20 mm本色側壓單層復壓竹皮。構件及結構與底板之間的連接采用膠水（502膠）黏結，支座采用M4螺栓將柱腳與振動臺黏接。熱熔膠用于固定鐵塊與結構、水箱與結構的粘接，竹材為各向異性材料，力學性能為：順紋彈性模量1.0×104 MPa，順紋抗拉強度60 MPa。竹制底板的底板厚度約8 mm，長寬分別為330 mm。水箱的長、寬、高為 155 mm×155 mm×257 mm。水箱的容量為4 L。

靜、動力荷載（作用）參數具體如下。

工況1中要求在模型的各層處施加荷載，鐵塊的放置圖如圖2所示。第二層鐵塊質量為2×1.8=3.6 kg，第三層鐵塊質量為2×1.8=3.6 kg，第四層樓面鐵塊質量為16.875～22.5 kg范圍內。按照第四層樓面為19.8 kg進行結構設計，在豎向荷載作用下對結構進行分析，并設置集中荷載施加在有限元模型相應節點上。

2? 實驗分析

分析假定：

（1）上部承重屋蓋房屋結構通過502膠水牢牢的貼在竹板上。竹板與振動臺利用螺栓相連，因此按照具體的約束情況，在模型中，把和振動臺相連的節點約束當做是理想固接約束[4]。

（2）全部構件均不超過彈性范圍，所以可以直接忽視材料的非線性。

工況1：靜載試驗。把鐵塊荷載級水箱的荷載緩慢地施加給結構中心上，在這一過程中密切跟蹤桿件的形變，反映部分結構的受力狀況。

工況2：一級地震波。調整加載設備輸入電壓和地震波數據的采樣頻率，確定結構的峰值加速度以及采樣頻率的地震波，得出承受低頻荷載的結構的承載能力，在該工況下構件必須是完整的。

工況3：二級地震波。對原始信號予以壓縮，實現精準、高頻的地震波，在該工況下核心構件必須是完整的。

工況4：三級地震波。對原始信號予以壓縮，實現更精準、高頻的地震波，受其影響作用，震動臺出現非常明顯的位移，但并未出現樓層垮塌的問題，每一柱腳都和底板固定在一起。

三級加載設備輸入地震波頻率等控制值見表1。

3? 結語

實驗結果表明，該文設計的抗風減震裝置的理念先進，有助于節省材料;結構體系新穎，有效降低荷載和地震波的影響;自振周期長，抗震性佳;安全穩定、滿足美觀感要求。空間布置靈活，在布置平面的設計方面有很大的操作空間，為抗震減震奠定了良好的基礎。

參考文獻

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[2] 顏喜林.結構仿真在軌道交通工程實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2020，29（7）：118-119.

[3] 賈穗子，曹萬林，任樂樂.裝配式輕鋼框架-帶暗支撐輕墻體組合結構抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2018，39（11）：48-57.

[4] 李曉社.高層混凝土建筑抗震結構設計存在的問題及應對策略[J].產業與科技論壇，2019（13）：78-79.

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