一種具有抗風(fēng)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(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)推動下，一棟棟的高層建筑拔地而起，而高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要考慮眾多的因素，其中就包括了風(fēng)和地震荷載影響。為了使建筑在地震和風(fēng)的作用下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，通常都會采用抗側(cè)力系統(tǒng)，而該文設(shè)計了抗風(fēng)減震裝置，能夠在兼顧經(jīng)濟(jì)性原則的前提下，保障建筑的穩(wěn)定和安全，使其對地震和風(fēng)具有更好的抗性。

關(guān)鍵詞：減震? 高層建筑? 創(chuàng)新設(shè)計? 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號：TU973? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)建筑，很多都采用仿竹結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能夠很好地兼顧質(zhì)量、成本、抗震性、美觀感等方面的需求，達(dá)到自重輕、穩(wěn)定性好的目的。

竹結(jié)構(gòu)采用了環(huán)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(xiàn)十分突出，和梁相同，由內(nèi)、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(jié)可以傳遞彎矩和剪力，即便是受到地震的影響，也難以出現(xiàn)脆性破壞，有效地改善了建筑的延性[1]，另外，竹節(jié)還能夠提高抗彎曲性，在地震影響下也具有良好的穩(wěn)定性，這對高層建筑具有啟示意義?，F(xiàn)代輕鋼框架結(jié)構(gòu)具有設(shè)計理念新穎，用鋼材量較少（省材）;結(jié)構(gòu)體系新穎，荷載與地震作用小，基礎(chǔ)形式簡單，安全可靠;生產(chǎn)、設(shè)計、施工一體化;外形輕巧美觀，空間布置靈活;輕鋼框架結(jié)構(gòu)是一種延性體系，發(fā)生破壞時發(fā)生的是延性破壞，有明顯的預(yù)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(shè)計的時候具有很大的靈活性，利于施工前的考量與選擇;現(xiàn)代輕鋼框架結(jié)構(gòu)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(yōu)點。目前我國的鋼筋混凝土多層框架房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在許多方面，具體如下。

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

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

鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)相較其他結(jié)構(gòu)設(shè)計還有許多的優(yōu)點，不僅體現(xiàn)在這3點，這里就不再贅述。多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)行設(shè)計，以及鋼筋混凝土在實際的應(yīng)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(yīng)用過程中具備更強的穩(wěn)定性。多層的設(shè)計比單層的設(shè)計，不僅能夠保證房屋建筑物的穩(wěn)定性和堅固性得到有效提高，因此，能夠保證在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，對地震的抗擊性能起到更好的防御作用。

1? 抗風(fēng)減震裝置的創(chuàng)新原理

為了研究高層結(jié)構(gòu)，采用的創(chuàng)新抗風(fēng)減震模型，由小振動臺系統(tǒng)、多層結(jié)構(gòu)模型以及屋頂水箱構(gòu)成，然后利用鐵塊模擬風(fēng)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(jié)合成一個整體。

抗風(fēng)減震模型設(shè)計旨在優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)形式，確定最佳的鐵塊放置方式，實現(xiàn)預(yù)期的穩(wěn)定性和剛度，在考慮地震因素下，確定結(jié)構(gòu)模型的材料效率比，為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。

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

鐵塊是決定結(jié)構(gòu)自振周期的重要因素，結(jié)構(gòu)的抗震性直接與之相關(guān)，所以鐵塊數(shù)量和空間位置非常關(guān)鍵。該模型中布置了3層鐵塊，為確保結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定承載力，需要優(yōu)化鐵塊的布置，具體布置方式見圖1。

屋頂水箱起到的是調(diào)液質(zhì)量阻尼器的作用，具有被動控制的效果。它被固定在結(jié)構(gòu)最頂部位置，如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，隨之產(chǎn)生反作用力，水可以吸收結(jié)構(gòu)振動形成的能量[3]?；诮Y(jié)構(gòu)的自振頻率，合理設(shè)計水箱中液體的體積，由此能夠確定最佳的調(diào)液質(zhì)量阻尼器尺寸（見圖2）。此次結(jié)構(gòu)模型設(shè)計中采用竹材：1250 mm×430 mm×0.50mm、1250 mm×430 mm×0.35 mm厚本色側(cè)壓雙層復(fù)壓竹皮;0.20 mm本色側(cè)壓單層復(fù)壓竹皮。構(gòu)件及結(jié)構(gòu)與底板之間的連接采用膠水（502膠）黏結(jié)，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(jié)構(gòu)、水箱與結(jié)構(gòu)的粘接，竹材為各向異性材料，力學(xué)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(shù)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(zhì)量為2×1.8=3.6 kg，第三層鐵塊質(zhì)量為2×1.8=3.6 kg，第四層樓面鐵塊質(zhì)量為16.875～22.5 kg范圍內(nèi)。按照第四層樓面為19.8 kg進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在豎向荷載作用下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并設(shè)置集中荷載施加在有限元模型相應(yīng)節(jié)點上。

2? 實驗分析

分析假定：

（1）上部承重屋蓋房屋結(jié)構(gòu)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(jié)點約束當(dāng)做是理想固接約束[4]。

（2）全部構(gòu)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(jié)構(gòu)中心上，在這一過程中密切跟蹤桿件的形變，反映部分結(jié)構(gòu)的受力狀況。

工況2：一級地震波。調(diào)整加載設(shè)備輸入電壓和地震波數(shù)據(jù)的采樣頻率，確定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的承載能力，在該工況下構(gòu)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(xiàn)精準(zhǔn)、高頻的地震波，在該工況下核心構(gòu)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(xiàn)更精準(zhǔn)、高頻的地震波，受其影響作用，震動臺出現(xiàn)非常明顯的位移，但并未出現(xiàn)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(shè)備輸入地震波頻率等控制值見表1。

3? 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，該文設(shè)計的抗風(fēng)減震裝置的理念先進(jìn)，有助于節(jié)省材料;結(jié)構(gòu)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(wěn)定、滿足美觀感要求?？臻g布置靈活，在布置平面的設(shè)計方面有很大的操作空間，為抗震減震奠定了良好的基礎(chǔ)。

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