轻骨料混凝土剪力墙发展及研究现状

1 轻骨料混凝土发展

以硅酸盐水泥(硫铝酸盐水泥、氯氧镁水泥)、活性硅和钙质材料(如粉煤灰、磷石膏等)无机胶结料,集发泡、稳泡、激发、减水等功能为一体的阳离子表面活性剂为制泡剂,形成的双套连续结构的聚合物微孔轻骨料混凝土。混凝土终凝后气泡形成大量独立封闭的匀质微孔,形成蜂窝结构,降低体积密度和导热系数,提高热阻和隔音性能。根据使用功能的不同也可掺入填料和骨料(如砂、粉煤灰、陶粒、碎石屑、聚苯乙烯泡沫粒、膨胀珍珠岩等),可设计成轻骨料混凝土(Ligh-tweight Aggregate Concrete,简称LWAC)。轻骨料混凝土在标准养护条件下,28天龄期的干表观密度小于1750kg/m3的混凝土。

1.1 轻骨料混凝土具有良好的抗震性能

轻骨料混凝土的弹性模量比较低,极限变形高于普通混凝土,因而抗震性能较好。研究表明,轻骨料混凝土相对抗震系数为109,普通混凝土仅为84[1]。例如,1976年唐山地震后,天津的四栋轻骨料混凝土建筑基本完好,但周围的砖混建筑都遭到了不同程度的破坏,这一事例有力的说明了轻骨料混凝土的高抗震性能的特点。由于轻骨料混凝土具有较好的抗震性,美国在Benicia-Martinez大桥上使用了轻骨料混凝土,以抵抗1000~2000年一遇的地震,并准备在该桥西侧架设轻轨[2]。

1.2 轻骨料混凝土优越性

使建筑物的隔热、隔音、保湿等功能有很大程度增强,产生巨大的间接经济效益。使用轻骨料亦可减少运输费用。英国运输研究实验室针对该国40号公路上的48座各种类型的桥,假定用LWAC代替NDC重新计算及估价,结论是LWAC与NDC的单方价格比小于等于1.6~2.0时,采用LWAC有一定的经济效益,平均节省3%,板桥可节省5%~7.5%。但是,轻骨料混凝土材料在力学性能上呈现明显的脆性,在受压时表现出较小的塑性和更大的脆性,大体积轻骨料混凝土易产生大面积开裂;此外,轻骨料混凝土的极限应变较普通混凝土小,易于产生劈裂现象,对抗震不利,这些不利因素都影响了轻骨料混凝土更广泛的使用。

1.3 轻骨料混凝土经济性显著

人造轻骨料的造价较高,一般比普通碎石骨料约高200~250元/吨,因而单从材料成本而论,使用轻骨料会增加工程造价。但是,由于LWAC具有高耐久以及抗震、保温等功能优势,采用LWAC替代普通混凝土不仅可以节约水泥、钢筋以及预应力钢筋等材料,降低基础处理费用,加快工期,从而取得较大的直接经济效益,而且还可以延长工程使用寿命,获得显著的间接经济效益。在一些特殊条件下使用还可能获得比轻骨料混凝土更好的综合技术与经济效益,起到普通混凝土所无法替代的作用。

1.4 轻骨料混凝土是生态新型环保建筑材料

人造轻骨料是配制轻骨料混凝土的主要原料,每立方米混凝土中轻骨料占有0.7m3左右,因此使用人造轻骨料可以大大减少对天然集料资源的开采量。轻骨料混凝土除了在性能与功能方面相比普通混凝土具有显著的优势之外,它还是一种生态环保型建筑材料。随着可持续发展战略的贯彻实施,它的这种优势显得更加突出。

目前,全世界混凝土年生产量己超过50亿立方米,我国占了40%以上。按此比例计算,大约每年要用掉20亿吨天然集料,其中还不包括用于生产水泥的数亿吨优质石灰石。几乎所有的骨料与水泥原料全部需要依靠挖山掘石取得,对集料等资源大量的采伐如今己造成数亩良田被占、数座山林被毁的恶劣状况。但是,国家需要发展、城市需要建设,建筑和交通等行业对建筑材料的需求在今后相当长一段时间内不会减少。这势必造成原料来源短缺与需求扩张之间的矛盾日益加深。在全球相比以往任何时候都更加强调人与自然和谐发展的背景下,如何解决上述矛盾已成为当前水泥与混凝上材料发展最具社会意义的一个课题。

综上所述,无论从材料科学发展、工程技术进步,还是从经济效益提高和可持续发展战略实施的角度,开展轻骨料混凝土的研究与工程应用都具有十分重大的意义和必要性。

2 轻骨料混凝土剪力墙结构研究

当前我国高层建筑技术向前发展的一个重要内容是减轻结构自重问题,其有效途径关键在于设计理论的先进、结构体系的合理以及建筑材料的革新,其中最为关键的是高强轻质材料的推广与应用问题。充分利用工业废料,取得良好社会效益的轻骨料混凝土,可以减轻结构自重近四分之一。同时它具有良好的热工性能以及更好的防火性能,理应在高层建筑中得到迅速的发展。

为了使高层剪力墙结构具有良好的抗震性能,有利于吸收和耗散地震能量,采用轻骨料混凝土高层剪力墙,不仅要满足强度、刚度要求,而且还要满足一定的延性要求、使其储备相当大的非弹性变形性能。这样可以依靠其非弹性变形能力吸收和消散地震能量,并降低所受到的地震惯性力。

轻骨料混凝土包括陶粒混凝土、浮石混凝土和煤歼石混凝土等。上海市建筑科学研究所对陶粒混凝土剪力墙做了大量试验研究工作,并将成果应用于20层粘土陶粒混凝土高层住宅。天津大学不但研究过大量实体带边框陶粒混凝土剪力墙的抗剪强度和变形性能[3,4,5],而且由王维汉、倪钰等[6,7,8]研究了人开洞剪力墙的性能,由曾祖同、马锦等[9]研究了低剪力墙中陶粒混凝土的软化问题,在天津建成22~24层粉煤灰陶粒混凝上高层住宅,南京工学院进行了陶粒混凝土剪力墙的试验研究[10]。甘肃工业大学刘翠兰、祁学仁也进行了陶粒混凝土剪力墙的试验研究[11]。哈尔滨建筑工程学院等单位进行了浮石混凝土剪力墙抗震性能研究[12]。沈阳建筑工程学院费蕾、张殿惠[13]对六片浮石混凝土剪力墙进行了试验研究(另有两片普通混凝土剪力墙作对比)。天津大学进行了轴压比对中等高度轻骨料混凝土有边框剪力墙抗震性能影响效应的试验研究。北方交通大学进行了轻骨料混凝土和局部掺加钢纤维轻骨料混凝土带边框剪力墙抗震性能的试验研究[14]。

与普通混凝土相比,轻骨料混凝土的抗拉性能与粘结强度差。轻骨料混凝土的弹性模量比普通混凝土低,亦能吸收较多的振动能量,使结构具有较大的变形能力。对于在周期反复荷载下钢筋混凝土剪力墙构件的延性性能、国内外已有不少论述,但对轻骨料混凝土剪力墙构件的延性和滞回特性的研究,还很不充分。另外,保证剪力墙具有足够的抗剪强度和合理地配筋型式是剪力墙设计中至关重要的问题,配筋型式的不同对于剪力墙的抗震性能特别是变形能力和耗能能力的影响显著,选择合理的配筋方式,不仅可以节约钢筋用量,降低结构自重,加快施工速度,降低成本,而且可以显著增强剪力墙的变形能力,提高剪力墙的延性,使整个剪力墙结构的抗震性能得到显著改善。

摘要：剪力墙结构是一种应用比较广泛的结构体系,国内外对于其抗震性能的研究也相对较多。然而,已有研究大多集中在普通钢筋混凝土剪力墙的抗震性能上,对于高强度钢筋和轻骨料混凝土相结合的剪力墙抗震性能的研究却相对较少。这两种性能材料相结合的剪力墙能否满足抗震性能的要求,一直是工程应用关注的问题之一。

关键词：剪力墙,抗震性能,轻骨料,高强钢筋

参考文献

[1] 龚洛书.轻骨料混凝土技术的发展与展望[J].混凝土,2002,2:13～15.

[2] The European Union.Brite EuramⅢ.Technical and economic mixture op-timization of high strength lightweightaggregate concrete.EuroLightCon.Eco-nomic Design and Construction withLight Weight Aggregate Concrete.Document BE96-3942/R9,2000:1～40.

[3] 周文祥.中高强轻骨料混凝土带边框剪力墙的受力性能分析[D].天津大学硕士研究生毕业论文,1988.

[4] 张建民.高强陶粒混凝土有边框剪力墙受力性能分析[D].天津大学硕士论文,1990.

[5] 连伟.中等高度轻骨料混凝土带边框剪力墙抗剪强度和变形性能的研究[D].天津大学硕士研究生毕业论文,1991.

[6] 王维汉,倪钰.反复荷载下陶粒混凝土大开洞剪力墙的性能[J].建筑结构,1990,3.

[7] 王维汉,倪钰.陶粒混凝土大开洞剪力墙弹塑性设计全过程分析和试验研究[J].建筑结构学报,1989,4.

[8] 马锦.低剪力墙中陶粒混凝土的软化曲线及墙板受力性能分析[D].天津大学硕士研究生毕业论文,1988.

[9] 季雁飞.钢筋轻骨料混凝土正截面剪力墙延性的试验研究[J].南京工学院硕士研究生毕业论文,1992,6.

[10] 刘翠兰,祁学仁.陶粒混凝土剪力墙的试验研究.甘肃工业大学.

[11] 张凤林.钢筋浮石轻骨料混凝土剪力墙试验研究[D],哈尔滨建筑工程学院硕士研究生毕业论文,1988.7

[12] 王维汉.陶粒混凝土大开洞剪力墙剪力调幅法的研究[J].天津大学学报,1990,2.

[13] 费蕾,张殿惠.浮石混凝土剪力墙低周反复荷载作用下抗震性能试验研究(混凝土结构设计规范课题综合研究报告)[R].沈阳建筑工程学院建筑工程研究所,1989,11.

[14] 刘长晟.轻骨料混凝土和局部掺加钢纤维轻骨料混凝土带边框剪力墙抗震性能的试验研究[D].北方交通大学硕士研究生毕业论文,1990,3.