高层建筑抗震的结构及材料运用研究

高层建筑抗震的结构及材料运用研究高彦明(中铁二十局集团有限公司第六工程有限公司，陕西西安710016)摘要：地震发生时，建筑的倒塌是造成人员伤亡的最主要原因。从20世纪开始，各国的专家、学者对抗震设计进行了一系列研究，进入20世纪9O年代．结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的历史日程，特别是我国处于地震多发区，并且城市用地紧张，随着地价目益高涨，促使高层超高层建筑的出现，所以高层抗震设计设防更是工程设计面临的迫切任务。关键词：高层建筑；结构抗震；抗震材料1影响建筑抗震性能的因素1．1房屋建筑抗震性能首先取决于建筑的抗震设防标准不仅仅是取决于建筑的抗震设防标准，还要严格的遵循建筑抗震没计规范。国家根据地震发生的可能性和震害的严重性确定各地区基本设防烈度，这是各地区抗震设计的基本参数，主要代表地面加速度的大小。对具体房屋，需要结合建筑使用功能的重要陛确定建筑的抗震没防标准，即确定谢}烈度和抗震等级。对一般建筑，设计烈度就是本地区设防烈度设计烈度愈高，抗震能力愈强，但建筑造价也愈高。1．2房屋结构的抗震性能与合理的抗震设计密切相关抗震设计就是要选择合适的结构形式，确定合理的抗震措施，保证结构的抗震性能，确保建筑物满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。高层住宅主要采用现浇剪力墙结构、框架一核心筒或框架一剪力墙结构，具有较好的强度和变形能力，抗震性能相对较好。因此，无论板式住宅还是点式住宅，只要设计合理，都可满足抗震要求。多层住宅大部分采用砖混结构，日前多采用现浇楼板，并采取设构造柱和圈梁等抗震措施，或者采用框架结构，大大增强了抗震能力。l3房屋抗震性能还与施工质量等其它因素有关在建筑房屋时还应加强施工质量监督、规范，对建筑的使用管理是十分必要的。2合理的抗震结构和建筑材料的应用2.l在地震多发区，结构体系的合理性应该得到充分的重视我国高层建筑中常采用的结构体系有：框架、框架一剪力墙、剪力墙和筒体等几种体系，这也是其它国家高层建筑采用的主要体系。但国外，特别地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构却占了90％，如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大的考验。钢结构同混凝土结构相比，具有优越的强度、韧性和延性，强度重量比，总体上看抗震性能好，抗震能力强。震害调查表明，钢结掏较少出现倒塌破坏情况。在高层建筑中采用框架一核心简体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内往往要承受80％以上的震层剪力，有的高达90％以上。由于结构以钢筋混凝土结构的位移值为基准，但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增加了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土简的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。2．2建筑材料的抗震探讨和应用从建筑材料的角度分析抗震要求，一方面材料应具有足够的强度，虽然强度高并不等于高抗震，f于具有脆性材料特征的建筑材料，其抗折、抗拉强度更为重要；另一方面是材料应具有优异的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同使用环境下、不同介质对材料产生的各种不利影响，以提高材料使用中的安全性和延跃使用寿命。水泥、混凝土目前作为人类使用量最大的建筑材料，自1824年诞生至今，在人类社会经济与文明发展的过程中起到非常重要的作用。但从抗震的角度，水泥混凝土由于属于胞l生材料，这对于作为结构材料尤其是有高抗震要求的地区建筑的结构材料是不利的。这一问题既可以在混凝土工程中通过结构设计或采用钢筋增强等途径得到解决，也可以通过对水泥混凝土自身的改陛进行应对。从提高水泥混凝土抗震性能而言，对水泥混凝土自身的改性途径很多，—般可以包括以下几个方面或它们的组合：首要的是要严格控制混凝土拌合用水量。混凝土的工作性、强度、耐久性各项性能均对用水量非常敏感，水胶比从o5降低到03以下可使混凝土的强度至少提高—倍，其主要途径掺加高效减水剂，不仅大大改善混凝土的工作性，而且能够通过降低混凝土用水量而大幅度提高混凝土强度，进而提高混凝土结构的致密性、耐久性和可靠性；但必须指出，强度不是万能的方案，混凝土强度越高，极限压应变越小，混凝土破坏时脆性特征越明显，这对于抗震来说是不利的，必须复合采用增韧技术。采用聚合物改性，可以显著提高混凝土的抗渗性、抗侵蚀能力，改善浆体与集料界面的结合，而且掺加达到一定量时，脆性的混凝土开始呈现聚合物良好的廷眭特征，在国际上已经开发成功的超高强水泥弹簧，即是该应用的一个极端例证。’掺加聚合物纤维可有效地提高混凝土的早期抗裂能力，混凝土的延陛也可得到提高。研究结果表明：掺加体积份数2％的PVA纤维，可提高混凝土的3～7％的拉应变，而不引起试件的强度损失或折断，日前该技术已在日本的新建大型建筑中应用。掺加钢纤维可以显著提高混凝土的机械性能。由于钢纤维阻止混凝土的开裂和裂缝扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善，因此钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料。钢纤维对基体混凝土的增强作用随着纤维的体积含量、长径比的增大而增大，但在工程实际中，纤维含量有一定限值，超过这一限值，用一般方法搅拌、成型就有困难。对于～般常用的钢纤维混凝土，其体积含量建议取1．O％～2.0％，长径比建议取值。应用于一些结构部位，如柱梁节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁、筏形基础等。采用钢纤维混凝土梁柱节点的框架与普通钢筋混凝土框架相比，结构的延性提高570，耗能能力提高13％，荷载循环次数提高了15％，在框架梁柱节点采用钢纤维混凝土可代替部分箍筋，既改善了节点区的抗震性能，又解决了钢筋过密、施工困难等问题。在保证混凝土足够的碱度防止钢筋锈蚀破坏以及碳化破坏的同时，适宜掺加掺合料可降低混凝土结构中主要存在于孔隙和浆体与集料界面的氢氧化钙的含量，改善界面结构，提高混凝土的抗渗性。集料质量也是影响混凝土质量、尤其是混凝土的耐久性的重要因素。例如，用碱活性集料或含有害组分的集料制备的混凝土不仅可导致混凝土耐久性的降低和寿命的缩短，而且可能在突发灾害中加速破坏而导致巨大损失O2003年土耳其地震后对倒塌建筑调查的结果表明，由于不当使用含氯离子高的海砂作为集料制备混凝土是导致增强钢筋加速锈蚀而使混凝土建筑在震中例塌的主要原因。当然，从通用水泥自身也可提出许多有益于提高混凝土耐久性的要求，如降低熟料矿物组成的C3A含量、适宜控制水泥比表面积和水化热、降低水泥中氯离子含量碱含量等。此外，还可以从根本上调整水泥品种，例如选用低水化放热、高后期强度、尤其是抗折强度高、抗侵蚀性好的低热硅酸盐水泥，即高贝利特水泥，对于重点工程建设是一种更好的技术途径。高贝利特水泥低热高强的特性表明，它是配制高强高性能混凝土的理想的胶凝材料，所配制的高贝利特大体积混凝土抗裂性优越、且具有良好的体积稳定性和优越耐久陛，已在围家重点工程应用中得到证明。结束语经济和安全，是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观看，如何从我国高层建筑抗震酗十现状及国际高层抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，应该成为地震区高层建筑发展的新方向。参考文献⋯建筑抗震设计规范(GB5001l—20o1)．f2】刘大海高层建筑结构方案优选[MI北京：中国建筑工业出版社．2004．【31昊志超．框架粱刚性连接焊接节点叨．钢结构．1997—__