广西城乡规划设计院 广西 南宁 530000
摘要：对高风压低烈度地区某高层建筑住宅结构采取了3种不同布置形式的抗风减震优化设计方案，先后采取3种抗风减震方案对其进行分析，对3种抗风减震结构优化设计方案组织了优劣讨论，并讨论总结出某高风压低烈度地区高层建筑结构优化设计方案。
关键词：高风压低烈度；高层建筑；抗风减震；结构优化设计
随着高层建筑的快速发展，世界各地已开始对高层建筑抗风减震进行了广泛的研究并得到了全面应用。我国在高速建设过程中，随着抗风减震结构设计研究的不断深入以及多年实践和长期检验累积，高层建筑抗风减震结构技术已得到稳步发展。中国幅员辽阔，存在大量的高风压低抗震设防烈度地区，且集中在超高层建筑发展迅猛的沿海经济发达省市。水平地震作用与风荷载作用，是结构承受的主要水平作用，依赖于结构的整体抗弯刚度和水平抗剪承载能力来保证。在确定的建设地点，风荷载作用的大小，取决于建筑高度、平立面形状、外立面材料。而这些条件，在建筑方案确定的情况下，结构能做的改善已经不多。地震作用大小最主要的影响因素是层重量与自振周期，采用相对轻质的结构材料与结构形式、避免结构刚度过大是结构设计的主要手段和原则。其中，同样的材料用量，得到更合理的侧向刚度分布，是结构优化设计的重点努力方向。在竖向承载能力已经优化之后，对高层建筑来说，水平承载能力可能会不足，有必要研究采取其他提高抗侧能力的结构措施，同时需使结构具有刚度增加明显、安全可靠、抗减震效果明显、节省建造成本和维护检修非常方便等优长点。建筑结构方案经过抗风减震措施后其合理使用周期比常规设计更加长久，抗风减震效果更加明显，能达到有效降低了高建筑物体的上层结构部分的反应敏感度。与常规结构设计相比，抗风减震结构的优化设计能够有效降低高风压下的结构顶层摇摆度和水平地震的加速度，保证人员舒适性。由于高层建筑的基本周期相对其它建筑较长，使得高层抗风减震建筑具有非常好的抗风减振效果，尤其是高层抗风减震建筑顶部显著降低了它的摇摆度和加速度。本文在充分考虑了高层抗风减震建筑的特点规律，对高风压低烈度地区高层抗风减震建筑进行了3种抗风减震结构优化设计方案，通过对比3种抗风减震方案的抗风减震效果进行了全面分析，研究讨论了高风压低烈度地区高层建筑抗风减震结构优化设计的3种不同方案，并提出建议。
一、高建筑工程概况
某高层住宅楼位于6度抗震设防城市，基本风压为0.70kPa，结构体系为框架-剪力墙结构，属典型的高风压低烈度地区高层建筑。建筑的总体高度是84.6米，高与宽的对比是2.74，地面上共有28层，地下仓库与车库共有2层。抗风隔震层每层的高度是1.6米，第1层的楼层高度是4.7米，2-27层的每层的高度是2.9米，第28层的层高度是4.5米。超高住宅使用柱子的横截面尺寸主要有800毫米×800毫米，600毫米×600毫米等，混凝土的等级主要在C50至C30之间。隔震层使用梁的截面尺寸主要有800毫米×800毫米和300毫米×700毫米，混凝土的等级是C35。框架剪力墙的厚度是400毫米-200毫米，混凝土的等级在C50至C30之间。隔震层楼板为 200mm，顶层楼板厚度为 120mm，中间楼层板厚为100mm，楼梯间隔板的厚度是150毫米，混凝土的等级是在 C35至C30之间。整体结构合理使用年限是50年。
二、抗风减震结构优化设计方案
就我国目前而言，常用抗风减震结构优化设计方案主要有两种，一种是采用带铅芯设计方案，另一种是粘滞阻尼器与不带铅芯的叠层橡胶支座配合使用的设计方案。我们主要使用带铅芯的叠层橡胶垫或者是带铅芯的叠层橡胶垫配合使用金属阻尼器的抗风结构装置。
1.抗风减震的3种方案
第1种方案：我国国内目前主要使用的抗风减震方案是采用带铅芯和不带铅芯的叠层橡胶支座这两种，其中铅芯的主要作用是提供抗风承载力。第2种方案：主要是带铅芯、不带铅芯叠层橡胶支座和摩擦滑板支座混合抗风减震结构设计方案，即在第1方案的前提下，将裙房使用的非铅芯支座全部替换成了摩擦滑移支座，其中带铅芯叠层橡胶支座和滑移支座二者共同作用下提供抗风承载力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆第3种方案：是在第一种方案的前提下，将裙房全部替换成不带铅芯的叠层橡胶支座。在风荷载和铅芯两者共同作用下提供抗风承载力。在3种不同方案中抗风减震支座布置时，一方面应把结构质心和刚心尽可能地重合，另一方面还要把结构的抗扭刚度尽量提高增大。
通过对3种方案的综合计算，得出的结论是这3种方案抗风减震支座性能验算都能符合规范要求的技术指标，风荷载设计值均能小于抗风承载力。
2.抗风减震的效果分析
采取对比的方法，分析非抗风减震结构和3种抗风减震结构的特性特征，计算其在高风压低烈度的抗风地震效果作用下，各部分结构楼层的楼层剪力、层间位移角的大小和不同楼层摇摆度与加速度等，对比3种不同抗风减震方案的效果。
3.周期对比
通过对比非抗风减震结构和3种不同方案抗风减震结构前三阶振型不同参数特性，得到的结论是各模型前两阶振型是平动的，第三阶振型是扭转的。抗风减震结构超高建筑的周期均明显大于非抗风减震的结构设计。从而得到第2方案的扭转效应要明显高于第1方案和第3方案。
4.层间位移角对比
通过计算高建筑层间的位移角，对原结构和3种抗风减震结构结果进行比较可知，非抗风减震结构均明显大于3种抗风减震结构层间位移角，抗风减震效果欠佳。分别将3种抗风减震结构层间位移角与非减震结构层间位移角进行对比分析，可得到3种抗风减震结构的层间位移角比，可知第2方案和第3方案的大部分楼层的层间位移角抗风减震效果均好于第1方案。
5.楼层摇摆度加速度对比
通过3种抗风减震结构和原结构的摇摆度加速度计算结果分析可知，非抗风减震结构均明显大于3种抗风减震结构楼层的摇摆度加速度，抗风减震效果较差。通过对比，可知第3方案的大部分楼层的摇摆度加速度减震效果明显好于第1方案；第2方案的各楼层的摇摆度加速度变化与第1方案和第3方案变化不大，非常接近。
6.抗风减震方案讨论
该高建筑处于高风压低烈度地区，采用抗风减震技术能够取得非常好的安全与经济效果。由于该地区处于高风压地区，只有采用部分专用抗风装置和滑板支座在保证减震层要求的前提下，可适度增加抗风层的强度，使得高建筑的上部结构取得较好的抗风效果。
第3方案可以保证建筑上部全部楼层减震系数均小于技术要求，但是这种方案需要加装专门的抗风装置，但目前我国该抗风装装置技术还不够成熟。第2方案由于建筑的裙房柱底压力较小，一定程度降低了减震层的刚度，且具有较好的经济性。此时建议修改结构设计目标，允许个别楼层抗风减震构造整体措施不降低。
三、结论：
本文对高风压低烈度地区高层建筑的抗风减震建筑进行了3种方案设计，通过结构优化设计方案，讨论3种抗风减震方案优劣，提出高风压低烈度地区高层建筑抗风减震设计建议：
1.在对高风压低烈度地区高层建筑抗风减震设计时，通过科学合理设置叠层橡胶支座或是采用专门抗风装置与滑板支座结构数量，在既不减小地震作用时减震层的刚度，还能有效确保高层建筑的抗风效果，更容易达到设计目标要求。
2.目前我国对滑板支座和专门抗风装置研究得还比较少，国家有必要在这一领域加大研究攻关力度，以适应不同风压地区超高建筑抗风建筑的发展。
3.在对高层建筑在抗风减震设计时，应允许高楼层的抗风系数超过一定范围，但要保证该楼层抗风抗震构造措施不能降低，安全性必须放在首位。
参考文献:
[1]日本建筑学会.减震结构设计[M].刘文光译.北京：地震出版社，2006.
[2]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
论文作者:周德勋
论文发表刊物:《防护工程》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/11
标签：抗风论文; 结构论文; 方案论文; 支座论文; 烈度论文; 建筑论文; 高层建筑论文; 《防护工程》2017年第5期论文;