抗震材料

土木1109班11231254谢行思由于建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。简单地说建筑物破坏有三种方式：上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数时候，还是三种方式的复合作用。地震波传播方式有纵波、横波、面波，由于地球表层岩性的复杂性，传播过程中也会出现像激流中“漩涡”的复杂情况。纵波使建筑物上下颠簸，力量非常大，建筑物来不及跟着运动，使底层柱子和墙突然增加很大的动荷载，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层柱、墙的承载能力，柱、墙就会垮掉。底层垮掉后，上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样，发生连续倒塌，整个建筑直接“坐”下来。面波使建筑物水平摇摆，相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力，若底部柱、墙的强度或变形能力不够，就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒，在震区常常看到这种现象。第三种作用是扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的，也有的情况是因为面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的。这种情况引起建筑物扭动。建筑物一般抗扭能力较差，很容易扭坏。震区有的房子角部坍塌，多属这种情况。一旦碰到上下颠、左右摇、扭转，三种方式共同发生，破坏力就更加可怕。在离震中较近的范围，往往三种方式交织作用，所以破坏力很大。此外，每个建筑物都有自己特定的自振频率，如果这个频率与地震作用的频率接近，还会引起类似共振的效应，那样带来的破坏力就更可怕了。抗震结构设计抗震材料设计减震消能构件设计一、混凝土混凝土的强度和耐久性等性能对用水量非常敏感，把水胶比由0.5降到0.3以下，就能够使混凝土的强度提高至少一倍。在建筑工程中，可以采用掺加高效减水剂的办法降低用水量，从而大幅度提高混凝土的强度，以此增强混凝土结构的致密性、耐久性和可靠性。聚合物能够增强混凝土的抗渗性和抗侵蚀能力，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延性特征。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。2003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倒塌的主要原因。纤维增强混凝土以混凝土为基材，外掺纤维材料配制而成。通过适当搅拌，把短纤维均匀分散在拌合物中，提高混凝土抗拉强度、抗弯强度、冲击韧性等力学性能，从而降低其脆性，是一种新型的复合建筑材料。纤维按其变形性能，可分为高弹性模量纤维(如钢纤维、玻璃纤维和碳纤维等)和低弹性模量纤维(如聚丙烯纤维、尼龙纤维等)。常用的纤维有钢纤维、玻璃纤维和合成纤维等。纤维增强混凝土因所用纤维不同，其性能也不一样。采用高弹性模量纤维时，由于纤维约束开裂能力大，故可全面提高混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度和韧性。试验研究表明，采用纤维布横向包裹钢筋混凝土柱，使纤维方向与柱轴线相垂直，可显著提高强度、改善延性以及改善纵筋搭接长度不足问题，并增加其抗震耗能能力；另外，将纤维用于加固剪力墙，也可显著提高其延性和承载力。钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料，由于钢纤维阻滞带基体混凝土裂缝的开展，从而使其抗掩，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。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。对于一般常用的钢纤维混凝土，其体积含量建议取1.0％～2.0％。主要应用下柱粱节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁，筏形基础等一些结构部位。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57％，耗能能力提高130％，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。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维具有如下优点：高强度（是钢铁的5倍），出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)，出色的抗热冲击性，低热膨胀系数(变形量小)，热容量小（节能），比重小（钢的1/5），优秀的抗腐蚀与辐射性能。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。混凝土材料与结构配合另一个整体提高抗震性的措施就是轻混凝土的应用，表观密度小于1950kg／m3的混凝土称为轻混凝土。在轻混凝土品种中，轻骨料混凝土作为结构混凝土早已用于实际工程。轻骨料混凝土的弹性模量一般比同等级普通混凝土低30％一50％，由于轻骨料变形较大，在地震力作用下能吸收较多能量缓减地震力破坏。用它建造的建筑物，在地震荷载作用下，所承受的地震力小，震动波的传递也较慢，且自振性能比普通混凝土要好。1976年唐山大地震时，京津地区几十栋使用轻骨料混凝土的工业与民用建筑基本上完好无损，周围的砖混结构房屋则遭受严重破坏或倒塌，不少工厂砖砌烟囱震裂倒塌，北京高井电站120m高的陶粒混凝土烟囱则完好无损。二、钢材抗震结构用钢不仅要具有高的强度，还要注重塑性。另外，还要考虑钢的应变时效敏感性、脆性转变温度、低周疲劳抗力和焊接等性能。日本现行的抗震设计法，要求建筑物的钢制结构不仅要有强度，而且还要有韧性(塑性变形能力)。与结构塑性变形能力有关系的钢材性能有延伸率、韧性和屈强比(屈服点／抗拉强度)。降低钢材屈强比，可扩大结构的塑性变形范围，增加韧性，从而增加对地震能的吸收能力。如果钢材屈服点高，且波动范围较大，则容易使结构崩坏，因此，要把钢材屈服点的波动范围控制在特定的范围之内，且应用低屈强比钢材，使低屈服点钢在抗震中通过合理分配地震的惯性力和能量，来减少地震对建筑结构的损害，实现抗震的目的。用于制作抗震装置的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。这些抗震装置利用软钢良好的滞回性能吸收消耗地震能量，保护建筑主体结构。用于制造这些抗震设施的钢具有比其他结构件更低的屈服强度和抗拉强度，并且屈服点波动范围很窄，具有良好的低周疲劳抗力。地震时，这些抗震设施先于其他结构件承受地震载荷作用，并首先发生屈服，靠反复载荷滞后吸收地震能量，保护整个建筑。与其他减震材料相比，具有构造简单、经济耐用、震后更换方便和可靠性强等优点，既可用于新建筑物的抗震，也可用于旧建筑抗震能力的提高。三、轻型材料轻质墙体材料多数是采用复合墙体，例如：艾特板、仿大理石面板、聚苯乙烯颗粒、纳米真空催化剂等。多数轻质墙体材料是由水泥、砂、煤灰、聚苯乙烯颗粒及多种化学外加剂组合而成，有着较强的隔音和抗震功效，其原因主要是由于材质较轻，抗冲击能力能够达到传统墙体的要求，在发生地震的时候又能够更好地保护居住者，避免出现塌方严重的现象。目前较为新型的轻质墙体材料均采用摇摆式安装，变形能力强，尤其适合高层钢结构组合结构的墙体围护分隔材料，适合既有建筑的空间重新分割等，尤其适合既有房屋的增层改造。