高层建筑抗震中的阻尼器设计

内容摘要

为了研究高层建筑抗震中的阻尼器设计有哪些，本文采用陈述，讨论，分析，举例的研究方法，并用高层建筑结构的抗震设计方法和技术的工程实例进行验证，最终得出高层建筑抗震中阻尼器设计的目的。随着我国经济的发展，钢结构高层建筑正在越来越多地被建造，一方面结构的刚度和舒适度的抗风设计要求有时很难用常规的设计方法经济合理地去满足，另一方面强烈地震时结构仍要进入弹塑性，从而引起结构构件的损伤与破坏。据此，采用结构振动控制的方法去改善这类建筑结构的抗震抗风设计是必要和可行的[1]。高层建筑结构的抗震设计方法和技术是不断变化和进步的，我们需要在具体的实践中对高层建筑所处的地质和环境进行详细的分析和研究，选用适合的抗震结构，注重建筑结构材料的选择，减小地震的作用力，增强地震的抵抗力，从而达到高层建筑抗震的目的。

关键词：高层建筑；抗震；分析；目的

　一、绪论

　　（一）课题研究背景及意义

我国是地震频繁地国家。伴随着四川汶川地震的产生，抗震设计分析显得更加关键[2]。尤其是多层建筑的抗震设计方案。多层建筑抗震设计方案需要从客观性、科学合理的视角充分考虑。因而，规定室内设计师努力学习新规范，合理把握工程项目结构设计原则，使结构更安全有效。

传统抗震抗冲击结构根据提升结构自身性能来抵御地震和风荷载，结构自身存储和消耗热量。另一方面，因为路面健身运动不确定性和风荷载仿真模拟却不精确性，导致不能精确测算结构以后可能能承受的地震日风，结构很有可能不能满足安全规定。另一方面，可能会导致不必要消耗。有效高效的抗震抗冲击方法是什么操纵结构的震动，安装于结构里的消能设备与结构一同承担地震和风荷载，进而进一步降低结构动力响应和破坏，合理创建结构的抗震水平[3]。因其耗能高、无弯曲刚度的特征，黏性阻尼器具备非常广阔的应用价值。

黏滞阻尼器最开始用于军用、机械设备等方面的振动控制。自20世际90时期引入建筑专业至今，具备环境温度不敏感、异像阻尼系数、结构在工作频率范围之内线形黏滞回应等众多优势，已经成为建筑专业中普遍承认的能耗设备。

　（二）国内外研究现状

应用黏性阻尼器的结构振动控制的探索起源于20个世纪80年代，X和日本在这方面的科学研究发展比较早。目前已经产生一系列科学研究，并用于很多具体施工中，还建立了阻尼器运用的设计标准、技术规范和建筑施工手册。

国家对黏性阻尼器的探索发展比较晚。20世际90年代初，中国一些大学和科学研究逐渐探寻液体阻尼器，并在一些文中讲了液体阻尼器的基本概念基本原理。现阶段，中国在阻尼器的检验科学研究、开发与工程应用层面获得了明显成效。此外，《工程建筑抗震设计标准》(GB50011-2001)还明确了阻尼器运用的反过来具体内容。

　（三）阻尼器概述

阻尼器是给予健身运动摩擦阻力，耗费机械能装置。运用减振吸收能量并不是新技术应用。各种各样减振器(或减振器)在航天航空、航空公司、国防、枪械、和汽车别的工业上用以降低震动和消耗热量。从20个世纪70年代初，大家把这些关键技术于工程建筑、公路桥梁、铁路线等结构施工中，发展趋势十分迅速。尤其是有50多年来的液压机黏滞阻尼器，在被X结构工程项目接纳以前，经历了许多不断试验、严苛核查、论述的悠长全过程，尤其是地震实验。

阻尼器是运用阻尼特性缓解振动分析，耗费机械能装置。在车辆和摩托悬挂系统中，一些单车也是有减振器。摩天大厦里还有台北市101、X高雄85等抗震减振器。多层建筑通常采用风阻尼器和黏滞阻尼器[5]。

阻尼器和黏滞阻尼器关键安装于多层建筑上，用以消化吸收地震波，在地震发生的时候维护建筑物设备。关键作用是在房屋建筑中上端悬架重约数百吨的大铁球，联接液压弹簧设备，消化吸收建筑物振动波，降低建筑物摇晃，做到抗震的效果。一般，还能够减少大风对建筑物危害，使房屋建筑平稳。

阻尼器和黏性阻尼器发展和运用，等同于在房屋建筑和公路桥梁上装上“汽车安全气囊”。地震发生的时候，阻尼器最大程度地和吸收消耗了地震对工程结构的冲击能量，大大的减轻了地震对工程结构的冲击破坏。

粘弹性阻尼器是一种简易、便捷、良好的吸能设备。与其它消能减震设备对比，主要有以下优点：

(1)只需结构在极小的影响下逐渐震动，就可以马上消耗热量。所以就算弹力震动不大，起到了损耗震动的功效。它不但可以抑止结构的地震和风振回应，并且能避免别的能耗阻尼器的原始弯曲刚度如何跟结构的侧向刚度相匹配的问题。

(2)因其“力-偏移”滞回曲线与椭圆形类似，能耗能力很强。计算和实验说明，加粘弹性阻尼器的高层钢结构总体阻尼系数为多倍，可以有效地抑止高层住宅钢结构的地震和风振回应。但粘弹性阻尼器所使用的粘弹性原材料是一种高聚物，对环境要素特别敏感。在其中，工作温度和输出功率更为突显。一般来说，剪切应力伴随着的温度上升而减少，伴随着信号频率上升而提升。在一定的温度与工作频率下，其能量耗散水平有最高值。因而，在规划粘弹性阻尼器时，务必有效设计方案粘弹性阻尼器原材料。一方面，在多层建筑工作工作频段(超低频)和环境温度下，其能耗水平务必尽量高，另一方面，剪切应力和极限值形变水平务必融入具体工作需求。

钢结构里的粘弹性阻尼器由粘弹性阻尼器支撑点。在其中，粘弹性阻尼器的最基本方式。两边二块厚钢板和夹在中间的一块厚钢板分别向人字架支架和支座梁联接，或者与晃动支架[6]的两边段联接。那样，高层住宅钢结构在地震日风影响下产生固层振动位移时，粘弹性阻尼器两边厚钢板与正中间厚钢板间的相对速度起到作用。从而使得夹紧的粘弹性原材料造成剪切变形，损耗动能，做到减少钢结构多层建筑地震和风振回应的效果。

依据上述基本原理，文中给出了选用粘弹性阻尼器开展钢结构多层建筑抗震抗冲击定制的好用方式。在推论粘弹性阻尼器高层住宅钢结构合理阻尼系数计算方法的前提下，根据调节抗震设计方案反应谱、抗冲击设计方案风振指数和脉冲扩大指数，获得了粘弹性阻尼器高层住宅钢结构抗震抗冲击设计理论。运用此方法，大家制定了北京首都整体规划大厦裙楼、50层钢制结构高层建筑，选用粘弹性阻尼器[7]。测算结果显示，一方面能够进一步降低结构预制构件抗震定制的内功，进而减少结构构件规格，控制成本。另一方面，能够大幅度降低结构横着风频的风所引起的振动加速度，达到舒服抗冲击设计要点。

　二、高层建筑的震害分析

　　（一）地震概述

伴随着中国社会现状水准的高速发展，工程建筑技术实力比以前更变大，所以可以见到清新风格功能和建筑的。但随着那么多建筑物盛行，产生安全隐患的几率也提高了，给生命安全和财产导致了不必要的麻烦。在其中，地震做为比较常见的洪涝灾害导致的危害性尤为明显。文中对多层建筑抗震中阻尼器设计展开了探寻。

地震也称为打颤、路面震动，是地球内部在迅速能量释放环节中震动的天气现象，过程中需要造成地震波。地震经常造成重大的伤亡事故，引起火灾、水灾、有害气体泄露、细菌和病毒放射性元素散播、大海啸、山体滑坡、坍塌、大海啸等灾害性

地震对房屋建筑(这里只指路面以上房屋建筑)的破坏是地震波对路面水准摇晃(横波)和竖直摇晃(竖直摇晃)联合作用得到的结果。产生地震时，与此同时造成纵波和横波。但横波速度比较慢、损耗快，水准路面震动，破坏力好。随之，p波速度更快，距离较远，还可以在水、气体、固态物质中散播，造成竖直地面震动。在离地震源一定距离的区域，一般先精确测量纵波，再精确测量横波。一般来说，工程建筑不善于水准晃动。高楼大厦不耐震，高楼大厦不耐震。

　（二）震害分析

高层建筑地震的严重后果完全取决于地震动特点以及自已的特性。因而，多层建筑地震破坏的主要原因主要包含以下几方面：

（1）结构布置不合理产生的震害

假如工程建筑平面规划不合理，弯曲刚度和品质不一致，或是结构纵向弯曲刚度产生基因突变，地震容易导致结构遭受比较大破坏。它是由过度歪曲反应形变集中化所引起的。此外，底端不足的房屋很容易在地震中坍塌。此外，当结构竖向布置存在一定基因突变时，基因突变处应力也会引起很严重的地震破坏。此外，假如抗震缝的总宽不足宽，两侧结构模块便会互相撞击，造成地震灾难。

（2）框架结构的震害

包含总体损坏及部分损坏。总体破坏分成延展性破坏和延性破坏。部分损害包含：

1.构件塑胶传动轴毁坏

2.预制构件裁切破坏

3.破坏连接点

4.短柱破坏

5.砌体损坏

6.柱轴压比太大时，柱会有小偏心受压情况，造成柱延性破坏。

7.钢筋连接不科学，搭接接头毁坏。

（3）具有抗震墙结构的震害

1.墙底有损坏，受力区混泥土受力脱落，表明建筑钢筋被卡住。

2.墙面抗弯破坏。

3.抗震墙与肢间梁受剪破坏。

（4）地震动特性引起的震害

地震对建筑物破坏水平不但与地震裂度相关，还和震源深度、地震源间距、场所土特点、房屋建筑自身的动力特性相关。一般来说，震度小、地震源深、避开地震源时，房屋建筑损坏的概率比较低。

　（三）高层建筑结构隔震与消震设计

对结构整体的抗震能力，设计与使用方式有特别要求的建筑，选用抗震、能耗等抗震等级技术性。能耗元器件以及系统软件能够分开震动的突显周期时间，避免共震毁坏，降低地震振动效应和风振。抗震与隔震指的是在建筑与上端结构中间设定隔震层，将建筑互相防护、防护以振动能量向建筑的传送，减少建筑结构的地震反映，使建筑在地震时仅产生轻微挪动和形变，充分保证建筑的安全性[9]。消可以是在建筑物上设定消能构件，地震键入建筑物能量的一部分由消能构件耗费，一部分由结构的机械能和变形能担负，从而达到降低结构地震反应目地。

伴随着时代的发展，各种各样建筑结构对抗震等级抗震的需求愈来愈高，“延展性结构体系”的应用愈来愈受限制，传统式抗震等级结构体系和基础理论愈来愈无法符合要求。抗震消能以及各种减振操纵体系具备传统式抗震等级体系无可比拟的优点，因而不久的将来建筑结构里将获得愈来愈广泛应用。阻尼器用于抗震与抗震设计技术性，其特性根据较大地震和最大风载荷中的实验获得认证。与此同时，选用结构减振、高延展性预制构件能有效达到结构的能耗水平，减少地震功效[10]。

　三、工程概况

　　（一）风阻尼器在上海环球金融中心中的应用

上海环球金融中国大陆地区第一座带挡风板的高层住宅建筑坐落于上海市陆家嘴金融贸易区金茂大厦东面。该建筑地面上101层，地底3层，建筑相对高度492米，总建筑总面积38.16万。是一座集办公室、商务接待、酒店餐厅为一体的多用途、智能化系统高层住宅智能化建筑。本项目主题风格结构为型钢混凝土组成结构，附近超大结构和框筒是塔的承受力体系的关键一部分。

1．风阻尼器的原理及构造

该设备配置有和建筑物自然周期一致的振动体(承重)。感应器用以在大风中检验建筑物的晃动，推动部操纵吊物物体的运动以减少建筑物的晃动水平。振动体(承重)的设计目的是由设备下边的电机驱动器部(推动部)沿竖直方向和水平方向挪动，也可以进行360度操纵。 60b65fcc9f683f38361c81a8e8625ba6

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（二）抗震阻尼器在墨西哥Torre Mayor高层建筑中的应用

另一个广为流传的事例是墨西哥的Torre Mayor。2003年，墨西哥Torre Mayor商务大厦，7层225米高层住宅钢结构，在彻底完工对外开放以前，遭遇到了浓烈的地震磨练。1985年，世界著名8.1级地震完全毁掉了墨西哥市。自1999年至今，墨西哥耗费2.5亿美金复建了225米长57层Torre Mayor写字楼。2003年1月21日，墨西哥科诺马州沿岸地区遭遇到了7.6级地震。地震再度给断块附近墨西哥市导致了非常大的毁坏。13000多幢住房和600多幢商业服务建筑物损伤。在其中，2700多幢建筑物被彻底毁坏。地震工程领域的惊喜是，30s地震时，31层Torre Mayor大厦刚公开发布震度比大厦以外的其他建筑物小得多。做为建筑抗震结构中重要组成部分，大量液态阻尼器也起到了消能减震的功效，很好地将结构反映保持在弹力范围之内。因而，Torre Mayor商务大厦已经成为南美洲乃至全球含有减振器的地标性建筑[11]。

实际上，该工程建筑成为了将阻尼器用于多层建筑的先峰，设计师使用了全球地震工程领域热度不减和讨论的诸多设计构思和计算方式。该建筑物设计合乎墨西哥市设计标准(MCBC)，其抗震措施是世界上严格。设计要点非常符合国外统一建筑设计规范(UBC-94)和华盛顿州北岭地震后升级更新的FEMA-267对策。

　四、建筑结构分析

这座墨西哥以及拉丁美洲最高的建筑，地底4层，地面上9层，是地下停车场。1~53楼是写字楼。五层楼的房顶上配有直升飞机着陆点。工程建筑水准横断面从80m80m向上慢慢减少，从4~10层减少到80m65m。在10层以上塔的标准层，下降至48m36m。

　（一）基础

该建筑位于墨西哥市的松软堆积土上。设计的基础沉井由沉井和建筑钢筋钢结构楼板系统构成，孔径1.2米，坐落于40米左右的“深岩浆岩”上。沉箱坐落于1.0-2.5米粗厚混凝土板.800mm钢筋混凝土墙。充分考虑最坏的地震自然环境，本设计方案使用了保守设计方案。

图4-1Torre Mayor大楼基础平面

8b18b0592526693b857aa4e639569479 　　（二）结构系统

图4-1所显示工程建筑结构要以钢结构为主体的结构体系。外场30层下列钢梁和结构里层35层下列钢梁均业务外包混凝土结构，以加强物理性能和耐火性能。除设备层和屋面层外，典型性楼层板由7.62cm粗厚压型板钢桥和6.35cm粗厚表层混凝土结构构成。这样的项目有一个四层的地下车库，深15m。地底结构选用建筑钢筋钢结构楼板系统和混泥土外攀钢柱系统。

　（三）建筑水平抗侧系统

使用了一系列特殊结构维护定义作为重要考虑到地震功效建筑的级抗侧体系。较为了墨西哥市地震下各工程建筑结构的优点。最初设计里，研究分析了25个左右不同类型的结构体系，最后选择了多种维护体系。根据全球地震学术界普遍认同和所提出的“筒中筒”定义，运用了地震动能阻尼器。传统“双”抗侧力体系进一步转化成“三”体系。“三重”体系由塔四周的立柱和非常大的分层次支撑点，产生“外管”；内框架产生钢结构的“内筒”；外管与连接管中间共配备96一个大阻尼器，像肌肉组织一样，合理联接多管架框架协调工作，产生第三方系统[12]。

充分考虑阻尼器种类、性能布局部位，最终决定朝南北方向选用72个阻尼器，选用对角线分层次支撑的方式设置在关键结构隔层内。在南北方平面东西方向，24个非常阻尼器做为附近非常大的固层支撑点体系的一部分。根据测算分析表明，合理配置和所使用的阻尼器起到了很好的减震功效。该系统申请了X专利，受到肯定。

设计方案测算说明，结构体系里的额外避震设备也可以有效降低地震健身运动对工程结构附设结构的毁坏。建筑物装饰设计一部分、幕墙玻璃、圈梁等房屋建筑内全部采暖、中央空调、工业设备和管路。阻尼器消化吸收一部分振动能量，降低包含木地板等在内的建筑物震动。自然附设结构的振荡和地震力也会减少。

吸能阻尼器在地震中不易毁坏结构，都不会损害本身。利用其延展性抗震设计，不会造成结构毁坏，在接下来的地震中显现出非常大的优点。

（四）附加阻尼比

在设计阶段，探讨了是不是在房屋结构中设定额外减振系统，逐渐明确阻尼器的总数、配备、功效。比如，室内设计师科学研究了对8.2级地震(传统式断块里的地震)下，额外减振系统的塔有没有震动。

通过对各类避震系统的探索和较为，最后选择了TaylorDevices公司制造的液态黏性阻尼器做为本项目的避震系统。针对配有黏滞阻尼器的结构，将阻尼器的加减法阻尼比添加原钢结构的临界值阻尼比中，最后获得结构南北方阻尼比为0.085，物品阻尼比为0.12。

在其中，根据较为结构回应明确等效电路临界值阻尼比。对带阻尼器实体模型和阻尼比不一样的一组实体模型增加同样的单脉冲时长荷载，较为结构回应(如结构偏移)，获得比较接近带阻尼器结构回应的阻尼比，选用等效电路比较分析法明确带阻尼器结构的阻尼比。此方法确实比其他方式计算出来的阻尼比更靠谱、安全性，结构的地震反映也能够更系统地观察。

（五）土壤､建筑相互作用

这栋建筑坐落于由墨西哥市建筑设计规范(MCBC)定义的Ⅱ类地震区内，位于Ⅱ类地震区和Ⅲ类之间。Ⅲ类地震区是松软土的堆积层，墨西哥市建筑规范中将其列为最严重的地震带。墨西哥国立大学进行场所自然环境光谱仪分析和土-结构相互作用分析，可以提供最准确的反应谱，体现场所土的明显周期时间和土与建筑物相互作用。与一般的规范反应谱对比，这儿的结构域谱根据土与结构的相互作用。场所反应谱应该考虑地洼和地基土产生的影响，也需要标准反应谱，考虑到带阻尼器的临界值阻尼比，如0.085或0.12，获得设计方案反应谱。

　（六）地震分析

运用SAP2000结构分析手机软件对结构管理体系开展驱动力分析，三维计算模型如下图4-2所显示。该模型仿真了全部钢柱、业务外包混凝土结构的钢梁、安装楼层板和离散系统减振预制构件，用以时程分析。分析设计方案根据高阻尼设计方案反应谱的谱分析和键入场地震波进行时程积分的基础之上的。

图4-2三维计算模型

25db89c26d94e30721d6f063cf4bed61 　　为了防止高阻尼反应谱数值的不一致，在形成场所反应谱的前提下，必须运用生成地震波的SIMQKE程序流程形成合适场所环境中的7个地震时程，并键入程序进行单独的时程测算。全部因素的计算能力也用以对比分析。根据频带与时间历史分析所获得的包络线值是最后构件横截面设计和认证结论。时刻表剖析能够得出结构在各个时时刻刻地震反应各种各样具体组成，比选用较大的组合反应谱法更贴近具体情况。分析表明，该结构设计达到反应谱和时程分析的数值。

应用SAP2000程序进行驱动力剖析时，将265个振形累加，选用Ritz矢量素材法，可以同时数值模拟全部构件和96个离散系统阻尼器。测算结果显示，阻尼器在结构遭受地震时也起到了非常大的吸能避震功效。

　（七）抗震设计

反应谱法和时程分析说明，结构延性指数为1，即抗震设计里不能使用延性设计理念。可是，1985年墨西哥地震后，发觉结构大延性对防止严重的毁坏和减缓结构的坍塌也起到了较好的功效。因而，本设计方案使用了几类预制构件和连接点延性的设计理论。比如，最好使用可塑性好一点的建筑装饰材料、在需要预制构件上开洞、选用柔性连接、适当调整搭接长度等。这些都是墨西哥消防设计规范所规定的。

在这样的抗震设计构思下，不想让以毁坏为代价开展延性设计方案，但地震中，当结构超过弹力范畴变成可塑性时，这类延性提升对策也起到了维护第二道防线的功效。

　（八）施工阶段的抗震研究

充分考虑墨西哥地震高发，该工程建筑开发周期长，室内设计师在规划环节展开了抗震剖析。依据场所地震载荷，探讨了工程施工阶段10层和23层抗震特性。非常明显，这种建筑物的周期时间短于竣工结构的时间，还未安装减振器，所以无法考虑到地面上的总重量。这跟后边的测算不一样。因此有着不同的结论。自然也有不同控制标准。

　（九）抗风研究

塔体的仿真模拟风洞实验室在加拿大西安大略大学的风洞实验室进行。依据墨西哥消防设计规范，开展风荷载影响下抗冲击剖析，确保风荷载影响下建筑物安全性与未来大众的舒适度。

阻尼器的设计和选用

液体黏滞阻尼器，计算公式为：

F=-Csign(V)Vα(1)

式中：F为最大阻尼力；C为阻尼系数；α为速度指数，常取0.3~1.0；V为阻尼器两端相对速度。由24个超大型阻尼器构成的x型大跨度结构支撑系统安装于结构的南北方外内壁。这一东西方向支撑结构覆盖塔的全部总宽。全面的两跨无支撑点，由三条对角所组成的棱形(棱形)结构连接在一起，形成一个极大的x管理体系，南北方立面上大阻尼器坐落于棱形支撑的对角线点。临界阻尼比从东向西增强了12%，表明该带x型超大支撑点阻尼器的对系统减震系统的避震实际效果是有用的。一定要注意，为了保证减振器的正常使用，必须对增加减振器安装长短开展调整。

多层阻尼器能够扩张单面之间偏移，扩张阻尼器的功效，在阻尼器数量不多的情形下可以确保结构总体阻尼器的平衡，是一种比较好的布局方法。结构里的72个朝南北方向阻尼器也使用了墨西哥常见的固层布局方法。因为支撑点间距长，减震器的一端固接，另一端固定不动，能保持减震器里的弯距比较小。墨西哥地震速度比较低，为了能让减震器正常运转，透射系数c应当非常大。

　（十）经济效果

Nadine在X工程师杂志上讲了墨西哥市商务大厦设计和工程施工，并讲了该项目的减震器一次性交付使用的金钱问题。该建筑物选用96个导出阻尼系数比较大的阻尼器，斥资400万美金修建了比常规设计安全性得多的工程建筑。在各种安全建筑物中，室内设计师的目的是大幅度降低建筑物人士未知的恐惧，并且在明显地震到来时慌乱地往下跳。但该笔看上去多余钱，最少可以用于项目上。

阻尼器用后，和传统设计方案对比，该结构常用结构钢由23000吨减少到18000吨；典型性孔径为1.5m；支撑点钢筋混凝土板的沉井比基本组装深层浅20%，沉井长短仅有55m。沉箱长短降低是由于沉箱研究中用了高损耗当场反映光谱仪。

地震影响下建筑物的减震也帮建筑装饰设计的所有附设结构带来很多益处，减少了成本费。比如，幕墙玻璃搭接长度的降低、中央空调和饮用水的搭接长度的降低、装修吊顶墙体悬架设备及设备、电子计算机、的家具抗震等，都会让全部工程建筑变成安全工程建筑。根据使用减震器，建筑物安全性获得了收益。其保险成本下降33%。这儿只探讨一次性投资的合理性。充分考虑抗震实际效果、长期用、地震后维护保养，资金投入该建筑物的减震器会带来一定的节省和结构创新[13]

　　五、结论

我们所设计的阻尼器都是基于现阶段所使用的阻尼器基本原理，融合水利工程专业知识设计方案装置，能够用于一般高层住宅的抗震。主相互连接阻尼器被建筑物侧压，在震动的方位造成轴力。通过各种轴力，促进橡胶管原水向同一个方位流动性，更改建筑物被震动相抵的重心点，具有抗震的功效，避免重心点偏位造成建筑物坍塌。

抗震设计方案的总要求是“小地震不容易毁坏，中地震能维修，大地震不容易倒地”。为了实现这一目标，需进行严格逻辑分析与实际检测。因而，地震剖析现代逻辑建立完善是一个漫长而严峻的一个过程，必须许多人的共同奋斗。多层建筑是现代建筑发展的必然趋势。

觉得阻尼器在消能减震工程项目中的运用愈来愈多。因而，科学研究消能减震结构的抗震设计理论至关重要和更有意义。坚信抗震难题发展和处理也为多层建筑的高速发展提供技术支撑。

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