淺談高層建筑抗震結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用

張楠

【摘 要】 隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，高層建筑逐漸在城市中興起和發(fā)展。我國大部分地區(qū)處于環(huán)太平洋地震帶上，屬于地震頻發(fā)區(qū)，從住房安全的角度來說，高層建筑的抗震能力得到了政府以及人民群眾的廣泛關(guān)注。本文分析了高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)，運(yùn)用的抗震材料，以及抗震措施。

【關(guān)鍵詞】 高層建筑；抗震；結(jié)構(gòu)及材料

汶川地震和玉樹地震發(fā)生后，我國的經(jīng)濟(jì)遭受了巨大的損失，但這也給我們未來的發(fā)展帶來了許多啟示。回顧當(dāng)時(shí)的情景，所有的建筑物幾乎全部倒塌，與低層建筑相比較，高層建筑的倒塌和破壞程度更為嚴(yán)重。近年來，世界范圍內(nèi)的高層建筑、超高層建筑都在不斷的刷新其高度。現(xiàn)今世界第一高樓是2010年竣工位于阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜的哈利法塔，共有162層，總高828米。而且建筑結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，對(duì)于建筑的抗震安全都存在不利影響。為了提升高層建筑的抗震安全性，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一，我們對(duì)高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，以及抗震材料的運(yùn)用等進(jìn)行了深入探討。

一、地震如何破壞建筑

根據(jù)全球地震分析，能夠在地震發(fā)生時(shí)對(duì)建筑產(chǎn)生直接破壞的可分為三種情況：

（一）地震時(shí)引起地陷、山崩、地面錯(cuò)位或裂縫等地面變形的產(chǎn)生，在城市修建時(shí)，直接在其上部建設(shè)。

（二）地震致使軟土震陷、沙土液化等地基失效現(xiàn)象，造成上層建筑的破壞。

（三）地面運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)使得建筑物結(jié)構(gòu)遭受到過大的破壞，進(jìn)而出現(xiàn)倒塌或傾覆現(xiàn)象。

二、分析建筑的抗震性能

建筑抗震性能取決于：抗震設(shè)計(jì)、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以及施工質(zhì)量等三方面。

（一）建筑的抗震設(shè)計(jì)需要滿足“小震無礙、中震小礙、大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)，確立合理可行的抗震實(shí)施方案，選擇合適的抗震結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而確保此結(jié)構(gòu)的抗震性能符合建筑的整體功效。大多城市高層建筑都采用具有良好的變形能力、變形強(qiáng)度，且相對(duì)抗震性能較強(qiáng)的建筑結(jié)構(gòu)。如：框架—核心筒（剪力墻）結(jié)構(gòu)、現(xiàn)行剪力墻澆筑結(jié)構(gòu)。對(duì)于多層結(jié)構(gòu)的住宅大樓而言，建筑結(jié)構(gòu)較多的采用磚混結(jié)構(gòu)類型，建筑樓板大都進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的澆筑，并且設(shè)置圈梁，建設(shè)構(gòu)造柱等抗震措施，亦或是進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)建設(shè)進(jìn)而確保和增加建筑的抗震能力。

（二）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)即根據(jù)抗震要求等級(jí)和烈度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，也即是對(duì)于具體建筑物的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合建筑的具體使用功能。對(duì)于一般的建筑物而言，烈度設(shè)計(jì)是根據(jù)本地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行防震烈度設(shè)計(jì)。烈度設(shè)計(jì)越高，抗震的性能就越高，說明建筑物的安全性能就越強(qiáng)，但這樣相應(yīng)的增加了建筑的造價(jià)成本。

（三）施工質(zhì)量是建筑工程的關(guān)鍵部分，確保施工質(zhì)量，并加強(qiáng)施工質(zhì)量的監(jiān)管，這也是確保此建筑是否具有較強(qiáng)抗震性能的外在關(guān)鍵因素。

三、從建筑結(jié)構(gòu)與抗震材料的使用方面分析建筑抗震性能

（一）地震多發(fā)區(qū)對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)體系的特殊建設(shè)

我國建筑結(jié)構(gòu)中對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常有：房屋框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及剪力支撐體系建設(shè)，這些是我國建筑抗震結(jié)構(gòu)中比較常用的幾個(gè)方面，尤其適用于城市高層建筑的設(shè)計(jì)中。當(dāng)前時(shí)期，國內(nèi)外對(duì)于地震多發(fā)地區(qū)的抗震情況多以鋼結(jié)構(gòu)建筑為主，尤其是在框架結(jié)構(gòu)建筑方面，鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用占有很大比例。另一方面，由于我國建筑水平有限，在近年來才對(duì)新型建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和應(yīng)用，因此大多數(shù)建筑物還是屬于磚混結(jié)構(gòu)，磚混結(jié)構(gòu)建筑在地震多發(fā)區(qū)與鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，韌性方面表現(xiàn)出明顯的不足，并且混凝土的配比與性質(zhì)特點(diǎn)等在抗震方面都體現(xiàn)出局限性，需要就新型建筑方式進(jìn)行全面的改進(jìn)。

根據(jù)我國對(duì)于建筑地震受害的情況進(jìn)行分析，新型鋼結(jié)構(gòu)建筑在抗震方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)較大等級(jí)的地震情況下，鋼結(jié)構(gòu)能夠?qū)ㄖ蚣芫S持較強(qiáng)的穩(wěn)定性。但就我國建筑的基本情況分析，由于我國建筑行業(yè)為了減小建筑成本，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑建造的情況下，使得建筑用鋼量的明顯減少，房屋框架式結(jié)構(gòu)與剪力結(jié)構(gòu)對(duì)于抗震性能方面無法做到具體的提升，使得在發(fā)生高強(qiáng)度地震的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，并且出現(xiàn)彎曲斷折的現(xiàn)象，使房屋結(jié)構(gòu)增大承壓負(fù)荷，混凝土強(qiáng)度極限無法滿足抗震的基本要求。

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過使用柱體漸變式間距結(jié)構(gòu)，在多層或者高層建筑的建設(shè)中需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層，由于每一層建筑物的承壓強(qiáng)度都會(huì)逐漸減小，底層建筑物承壓情況最為明顯，在結(jié)構(gòu)功能出現(xiàn)剛性突變的情況下，房屋剪力結(jié)構(gòu)的承重負(fù)荷突然增大，使得房屋伸展臂與交換層的梁柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松弛，因此需要在對(duì)建筑物進(jìn)行轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)剛性以及最小剛度限制進(jìn)行約束，避免結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)于建筑物主體抗震性能的減弱。

（二）抗震建筑材料的探討與應(yīng)用

抗震的建筑材料需具備量方面的要求。第一，建筑材料需具備足夠的強(qiáng)度。強(qiáng)度高卻不同于高抗震，對(duì)于脆弱性較明顯的建筑材料，其抗拉、抗折強(qiáng)度顯得尤其重要。另外，抗震材料應(yīng)具備安全可靠性和耐久性，以便能夠減輕不同介質(zhì)和材料以及不同的使用環(huán)境所造成的不利影響，進(jìn)而提高建筑材料的使用壽命和建筑的安全性。

自1924年水泥和混凝土開始投入使用以來，便成為人類社會(huì)使用量最大的建筑材料，對(duì)于人類文明的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起到了非常重要的作用。從抗震角度方面分析來看，水泥、混凝土屬于脆性的建筑材料，讓其作為建筑材料特別是具有高抗震性地區(qū)的結(jié)構(gòu)材料是非常不利于建筑安全的。通過對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或運(yùn)用鋼筋等材料進(jìn)行脆性降低等方式可以得到有效解決，同時(shí)也可以通過改變水泥、混凝土的自身特性來應(yīng)對(duì)。

對(duì)于水泥、混凝土自身性能自身抗震性能的改良途徑較廣，包括以下幾個(gè)方面：

首先，控制拌和混凝土過程的用水量。混凝土的強(qiáng)度、耐久性和工作性能對(duì)水具有較強(qiáng)的敏感性，當(dāng)水膠比降到0.3或以下時(shí)，混凝土的強(qiáng)度至少會(huì)提高一倍。混凝土通過摻加具有高效的減水劑來改善混凝土的脆性特點(diǎn)，也可以通過減少拌和用水量使混凝土強(qiáng)度得到提高，進(jìn)而提升混凝土的耐久性、可靠性和致密性。混凝土的極限壓力越小，受到破壞時(shí)其脆性特征就會(huì)越明顯，對(duì)于抗震功能是極為不利的，因此，必須同時(shí)采用增加其韌性的工程技術(shù)。

其次，采用更改聚合物特性的方法，以便明顯提高混凝土抗侵蝕能力和抗?jié)B性，改善堆料界面與混凝土漿液的結(jié)合，當(dāng)聚合物摻加到一定量時(shí)，混凝土的脆性特征便呈現(xiàn)出良好的聚合物延性特征。并且，摻加聚合纖維能有效提高混凝土的抗裂能力，促使其延性得到提高。研究表明：摻加聚合纖維體積份數(shù)達(dá)到百分之二的PVA時(shí)，混凝土的拉應(yīng)變便可提高3—7%，并且試件的強(qiáng)度也不會(huì)受到任何影響。

再次，集料的質(zhì)量也會(huì)影響到混凝土的質(zhì)量，尤其是影響其耐久性。例如：使用有害成分的集料或堿活性集料進(jìn)行混凝土的制備，不但會(huì)降低混凝土的耐久性和縮短其壽命，甚至可能在突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害中增加其受到的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p失增大。

最后，還應(yīng)從根本上改變和增加水泥品種，如選用高后期強(qiáng)度、低水化放熱、特別是抗蝕性能好、抗折強(qiáng)度高的低熱酸鹽水泥，即現(xiàn)今市場(chǎng)已有的高貝利特水泥。這是重點(diǎn)工程建設(shè)較好抗震技術(shù)途徑。而高貝利特水泥的低熱高強(qiáng)特性說明，配置高、性能高的混凝土是理想的膠凝材料，此類水泥具有良好的穩(wěn)定性、耐久性和優(yōu)越的抗裂性，因此，在國家的重點(diǎn)工程項(xiàng)目建設(shè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。

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