一种具有抗风减震装置的高层建筑

2020-12-28曹梦雪赵丹黄侃如恩禾朱宇颜喜林

科技资讯 2020年30期

曹梦雪赵丹黄侃如恩禾朱宇颜喜林

摘要：随着社会的不断进步和经济的持续推动下，一栋栋的高层建筑拔地而起，而高层建筑的结构设计，需要考虑众多的因素，其中就包括了风和地震荷载影响。为了使建筑在地震和风的作用下保持结构的稳定，通常都会采用抗侧力系统，而该文设计了抗风减震装置，能够在兼顾经济性原则的前提下，保障建筑的稳定和安全，使其对地震和风具有更好的抗性。

关键词：减震高层建筑创新设计结构改进

中图分类号：TU973 文献标识码：A文章编号：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

如今的高层结构建筑，很多都采用仿竹结构，这样的结构能够很好地兼顾质量、成本、抗震性、美观感等方面的需求，达到自重轻、稳定性好的目的。

竹结构采用了环状断面，所以抗弯刚度非常强;竹子的纤维在抗拉强度、抗压强度方面表现十分突出，和梁相同，由内、外弯面承受拉力和压力，展示出极强的韧劲，很难折断;更重要的是，竹节可以传递弯矩和剪力，即便是受到地震的影响，也难以出现脆性破坏，有效地改善了建筑的延性[1]，另外，竹节还能够提高抗弯曲性，在地震影响下也具有良好的稳定性，这对高层建筑具有启示意义。现代轻钢框架结构具有设计理念新颖，用钢材量较少（省材）;结构体系新颖，荷载与地震作用小，基础形式简单，安全可靠;生产、设计、施工一体化;外形轻巧美观，空间布置灵活;轻钢框架结构是一种延性体系，发生破坏时发生的是延性破坏，有明显的预兆，有利于居民的人身安全，且抗震性能相对比较好;其在布置平面与设计的时候具有很大的灵活性，利于施工前的考量与选择;现代轻钢框架结构十分简单，且各部分的刚度相对都比较均匀，有利于施工，缩短施工本来需要的工期，在总体上提高施工的效率，增加施工的整体效益;其自振的周期比较长，且自身的重量不大，因此对于地震作用不会像老式建筑那样敏感，有利于抗震等优点。目前我国的钢筋混凝土多层框架房屋结构设计的优点体现在许多方面，具体如下。

（1）采用钢筋混凝土的结构设计与相对比较传统的房屋结构设计相比，更具有灵活性。针对建设位置、不同外观与质量的不同，可以灵活地进行不同方面的调整，有利于适应不同建筑物的不同需要，进行具体问题具体分析，从而更好地设计更符合人类居住需要的建筑结构。

（2）采用钢筋混凝土的多层框架房屋结构设计，能够保证建筑物的选址与空间之间布局更加合理。此合理性不仅有利于人们后期在该建筑物中生活，且使建筑物具有相当高的实用性，从而在某种意义上有效地提高了人类在建筑物使用中的效率。

（3）采过钢筋混凝土多层框架房屋结构设计，还能够保证我国建筑物的质量以及工期方面得到更好的改善。与传统的房屋框架结构设计相比，钢筋混凝土多文献综述带屋顶水箱的多层房屋结构设计7层框架房屋结构的设计，由于目前采用钢筋混凝土密度相对较大的原材料进行设计，以及钢筋混凝土材料在实际的应用过程中具备比较强的刚性性质，所以可以保证整个建筑物在后期的应用过程中具备更强的稳定性。

钢筋混凝土多层框架结构相较其他结构设计还有许多的优点，不仅体现在这3点，这里就不再赘述。多层钢筋混凝土结构的抗震原理：由于目前使用的钢筋混凝土的密度相对较大的原材料进行设计，以及钢筋混凝土在实际的应用过程中具备较强的刚性，所以可以保证整个建筑物在后期的应用过程中具备更强的稳定性。多层的设计比单层的设计，不仅能够保证房屋建筑物的稳定性和坚固性得到有效提高，因此，能够保证在地质灾害频发的地区，对地震的抗击性能起到更好的防御作用。

1 抗风减震装置的创新原理

为了研究高层结构，采用的创新抗风减震模型，由小振动台系统、多层结构模型以及屋顶水箱构成，然后利用铁块模拟风的荷载，将水箱固定在屋顶。最后利用螺栓和竹制底板，把这3个部分结合成一个整体。

抗风减震模型设计旨在优化模型的结构形式，确定最佳的铁块放置方式，实现预期的稳定性和刚度，在考慮地震因素下，确定结构模型的材料效率比，为高层建筑的结构设计提供理论上的指导。

要使材料强度性能得到充分体现，确保整体结构具有足够的稳定性，需要进行多次的试验，找到最佳的斜撑位置。试验结果表明，斜撑位置是决定模型抗震性的关键因素，最佳的位置能够确保柔性在最大程度上体现出来，实现以柔克刚的效果，降低地震对结构造成的影响（见图1）[2]。

铁块是决定结构自振周期的重要因素，结构的抗震性直接与之相关，所以铁块数量和空间位置非常关键。该模型中布置了3层铁块，为确保结构具有足够的稳定承载力，需要优化铁块的布置，具体布置方式见图1。

屋顶水箱起到的是调液质量阻尼器的作用，具有被动控制的效果。它被固定在结构最顶部位置，如果结构被施加水平荷载作用并因此而振动，水箱中的水会震荡，形成水压力施加给器壁和结构，随之产生反作用力，水可以吸收结构振动形成的能量[3]。基于结构的自振频率，合理设计水箱中液体的体积，由此能够确定最佳的调液质量阻尼器尺寸（见图2）。此次结构模型设计中采用竹材：1250 mm×430 mm×0.50mm、1250 mm×430 mm×0.35 mm厚本色侧压双层复压竹皮;0.20 mm本色侧压单层复压竹皮。构件及结构与底板之间的连接采用胶水（502胶）黏结，支座采用M4螺栓将柱脚与振动台黏接。热熔胶用于固定铁块与结构、水箱与结构的粘接，竹材为各向异性材料，力学性能为：顺纹弹性模量1.0×104 MPa，顺纹抗拉强度60 MPa。竹制底板的底板厚度约8 mm，长宽分别为330 mm。水箱的长、宽、高为 155 mm×155 mm×257 mm。水箱的容量為4 L。

静、动力荷载（作用）参数具体如下。

工况1中要求在模型的各层处施加荷载，铁块的放置图如图2所示。第二层铁块质量为2×1.8=3.6 kg，第三层铁块质量为2×1.8=3.6 kg，第四层楼面铁块质量为16.875～22.5 kg范围内。按照第四层楼面为19.8 kg进行结构设计，在竖向荷载作用下对结构进行分析，并设置集中荷载施加在有限元模型相应节点上。

2 实验分析

分析假定：

（1）上部承重屋盖房屋结构通过502胶水牢牢的贴在竹板上。竹板与振动台利用螺栓相连，因此按照具体的约束情况，在模型中，把和振动台相连的节点约束当做是理想固接约束[4]。

（2）全部构件均不超过弹性范围，所以可以直接忽视材料的非线性。

工况1：静载试验。把铁块荷载级水箱的荷载缓慢地施加给结构中心上，在这一过程中密切跟踪杆件的形变，反映部分结构的受力状况。

工况2：一级地震波。调整加载设备输入电压和地震波数据的采样频率，确定结构的峰值加速度以及采样频率的地震波，得出承受低频荷载的结构的承载能力，在该工况下构件必须是完整的。

工况3：二级地震波。对原始信号予以压缩，实现精准、高频的地震波，在该工况下核心构件必须是完整的。

工况4：三级地震波。对原始信号予以压缩，实现更精准、高频的地震波，受其影响作用，震动台出现非常明显的位移，但并未出现楼层垮塌的问题，每一柱脚都和底板固定在一起。

三级加载设备输入地震波频率等控制值见表1。

3 结语

实验结果表明，该文设计的抗风减震装置的理念先进，有助于节省材料;结构体系新颖，有效降低荷载和地震波的影响;自振周期长，抗震性佳;安全稳定、满足美观感要求。空间布置灵活，在布置平面的设计方面有很大的操作空间，为抗震减震奠定了良好的基础。

参考文献