浅析高层建筑的抗震结构及材料运用

2023-03-01

高层建筑是经济社会发展和科技进步的产物。随着城市化水平的迅速提高, 城市用地紧张, 土地价格日益高涨, 作为一个地方经济实力象征的高层建筑在城市建筑中越来越多。我国处于地震多发区, 地震基本烈度6度及其以上的地震区面积约占全国面积的60%。高层抗震设计设防已经成为建筑工程的重要课题。

1 建筑抗震性能分析

概括地讲, 建筑的抗震性能主要取决于三个因素。一是抗震设防标准。对具体建筑物应结合其使用功能确定抗震设防标准, 即设计烈度和抗震等级。对一般建筑物, 设计烈度就是本地区的设防烈度。设计烈度越高, 抗震能力就愈强, 也造成该建筑的造价成本也相应增加。二是抗震设计。就是按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求, 对建筑物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。对高层建筑而言, 主要采用现浇剪力墙结构、框架-核心筒或框架-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。多层住宅大都采用砖混结构, 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, 大大增强抗震能力。三是施工质量。在建筑工程中, 加强监督管理, 确保施工质量, 也是确保建筑的抗震性能的重要因素。

2 高层建筑抗震的结构设计

我国高层建筑主要有框架、框架-剪力墙、剪力墙和筒体等结构体系。为了增强抗震性能, 我国主要采用钢筋混凝土结构及混合结构, 在高层建筑中占90%以上, 国外则以钢结构为主。两者相比较, 钢结构具有优越的强度、韧性和延性, 强度重量比, 总体上看抗震性能好, 抗震能力强, 在地震灾害中出现的倒塌破坏现象也比较少。

2.1 脊骨结构

根据建筑布置条件可由支撑、外伸框架或单跨空腹梁构成, 可采用全钢或钢筋混凝土组合体系, 适用于具有高大门厅、空旷地下车库, 顶部阶梯式的高层建筑。由于抗侧力构件沿高度连续, 避免了薄弱楼层, 有利于结构抗震, 保证刚度和稳定的抗侧力构件是高层建筑的脊骨, 包括竖向构件抵抗由倾覆力矩引起的轴力及由对角支撑或刚性连接的构件或抗侧力的墙组成剪离膜, 一个脊骨结构包括位于建筑外端少数钢、混凝土或组合巨型柱, 这些柱不应影响各楼层的使用。巨型柱由支撑、空腹桁架或刚性连接的外伸框架梁连接成为一个脊骨结构, 脊骨结构的组成要点:一是要上下贯通, 以达到有效的抗倾覆力矩及剪力;二是巨型柱要有一定的距离, 以达到有效的抗倾覆力矩;三是脊骨结构主轴应与结构主轴相重合;四是楼板结构应能直接将楼层荷载传到巨型柱以提高抗倾覆能力;五是脊骨结构在平面上包括的面积应能提供良好的抗扭刚度。

2.2 剪力墙

剪力墙主要有三种形式:一是带支撑框架, 巨型柱由跨过多层的对角支撑连在一起二是带外伸框架的支撑筒体;三是单跨空腹梁。不论是风力控制或地震力控制的高层建筑, 脊骨结构体系都是非常有效的, 可用于20层至100层的高层建筑。

2.3 钢纤维混凝土

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。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%。主要应用于柱梁节点、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。

3 高层建筑抗震的材料运用

从抗震角度来看, 高层建筑材料应满足两个条件, 一是要有足够的强度, 抗折、抗拉性要强;二是要有优异的耐久性和安全可靠性。水泥、混凝土是目前使用量最大的建筑材料, 但水泥混凝土属于脆性材料, 抗震性能较差, 需要进行改性。主要方法有以下几点。

3.1 严格控制混凝土拌合用水量

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。需要注意的是, 混凝土强度增高了, 其脆性特征也相应明显, 受到破坏时容易发生断裂, 这与抗震要求是相悖的。因此, 不能片面的采用降低用水量增强混凝土强度的办法, 而要复合采用增韧技术, 增强混凝土的抗震性能。

3.2 使用聚合物

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。目前, 国外已经成功开发了超高强水泥弹簧, 主要就是采用了聚合物。

3.3 掺加聚合物纤维

掺加聚合物纤维能够有效提高混凝土的早期抗裂能力, 增强混凝土的延性。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。

3.4 集料质量

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。同时, 采用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办法, 也可以提高混凝土的耐久性。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, 也可以提高混凝土的抗裂性、体积稳定性和耐久性。

总之, 妥善处理经济和安全的关系, 是高层建筑抗震设计的重要技术政策。我们应立足我国高层建筑抗震设计现状, 着眼于国际高层抗震设计发展的趋势, 积极探索新型的结构与材料的应用, 确保高层建筑安全, 促进经济社会健康快速发展。

摘要：我国位于地震多发区, 随着城市化进程的加快和经济的快速发展, 高层建筑已经普遍存在于城市建筑之中。从安全角度讲, 抗震是高层建筑首先要考虑的问题。汶川大地震中, 建筑倒塌是造成人员伤亡的最重要原因。地震灾难警示着我们:防震减灾任重道远, 刻不容缓。高层抗震设计设防已经成为建筑工程设计的重要课题, 而科学的抗震结构和建筑材料是高层建筑安全的重要保证。

关键词：高层建筑,抗震结构,抗震材料