高層建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計.

1、淺談高層建筑抗震材料及結(jié)構(gòu)摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高層建筑已成為未來建筑的發(fā)展趨勢。我國位于地震多發(fā)地帶，從安全角度講,抗震是高層建筑首先要考慮的問題。汶川大地震、雅安地震和日本阪神大地震中,建筑倒塌是造成人員傷亡的最重要原因。地震災(zāi)難警示著我們:防震減災(zāi)刻不容緩，但任重而又道遠(yuǎn)。房屋尤其是高層房屋抗震設(shè)計已經(jīng)成為建筑工程設(shè)計的重要課題,而科學(xué)的抗震結(jié)構(gòu)和建筑材料是高層建筑安全的重要保證。關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震結(jié)構(gòu);抗震材料前言 隨著城鎮(zhèn)化水平的迅速提高,城市用地緊張,土地價格日益高漲,作為一個地方經(jīng)濟(jì)實力象征，高層建筑在城市建筑中越來越多。高層建筑的結(jié)構(gòu)及材料也是隨著社會

2、生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展的。自從1885年世界上第一幢高層建筑美國芝加哥家庭保險公司大樓興建以來，至今已有100多年的歷史了1。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化，而且在高度上也大幅度增長。進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已提到各國建筑設(shè)計的日程。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，加之以往的地震災(zāi)害，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計面臨的迫切任務(wù)。作為工程抗震設(shè)計的依據(jù)，高層建筑抗震分析處于非常重要的地位。1建筑抗震的理論分析（1）抗震設(shè)計的理論。擬靜力理論，擬靜力理論是20世紀(jì)初代發(fā)展起來的一種理論, 它在估算地震對結(jié)構(gòu)的作用時,僅僅假定結(jié)構(gòu)為剛性,地震力水平作用在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中

3、心上。地震力的大小相當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個比例常數(shù)即地震系數(shù)。反應(yīng)譜理論，反應(yīng)譜理論是在20世紀(jì)50年代左右發(fā)展起來的, 它是以強(qiáng)地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進(jìn)一步了解, 以及結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特點的研究為基礎(chǔ), 是加州理工學(xué)院的一些科研者對地震動加速度記錄的特性進(jìn)行分析后取得的一個重要成果2。動力理論，動力理論是20 世70年代廣為應(yīng)用的地震動力理論。它的發(fā)展除了基于60 年代以來電子計算機(jī)技術(shù)和試驗技術(shù)外,人們對各類結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性反應(yīng)過程有了更深的了解,同時隨著強(qiáng)震觀測臺站的不斷增多,各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動力理論也稱地震時程分析理論,它

4、把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震的動輸入, 建筑物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建筑物的地震反應(yīng),從而完成抗震設(shè)計工作。（2）建筑結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)。建筑結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)實際上是各國建筑抗震經(jīng)驗帶有權(quán)威性的總結(jié),是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計的法定性文件，它既反映了各個國家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震經(jīng)驗。它雖然受抗震有關(guān)理論的引導(dǎo),向技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的方向發(fā)展,但它更要有堅定的工程實踐基礎(chǔ),把建筑工程的安全性放在首位,容不得絲毫冒險和不實。正是基于這種認(rèn)識,現(xiàn)代規(guī)范中的條文有的被列為強(qiáng)制性條文,有的條文中用了“嚴(yán)禁,不準(zhǔn),不宜”等體現(xiàn)不同程度的限制性和“必須,

5、應(yīng)該,可以”等體現(xiàn)不同程度靈活性的詞語3。2高層建筑抗震材料從建筑材料的角度來看，抗震建筑材料必須具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、優(yōu)異的耐久性和安全可靠性。例如：木、鋼、鋼纖維混凝土、復(fù)合材料等。下面介紹其中常用和新型抗震材料。2.1 鋼纖維混凝土鋼纖維混凝土是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料,由于鋼纖維阻滯帶基體混凝土裂縫的發(fā)展,從而使其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度等比普通混凝土顯著提高,其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有很大改善。鋼纖維對基體混凝土的增強(qiáng)作用隨著纖維的體積比、長徑比的增大而增大,但在工程實際中,纖維含量有一定限度,超過這一限值,用一般方法攪拌、成型就會有困難。對于一般常用的鋼纖維混凝土,其體積

6、含量建議取1.0%2.0%。主要應(yīng)用于柱梁節(jié)點、柱子、扁梁柱節(jié)點、樁基承臺、屋面板、轉(zhuǎn)換梁、筏形基礎(chǔ)等一些結(jié)構(gòu)部位。采用鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點的框架與普通鋼筋混凝土框架相比較,結(jié)構(gòu)的延性提高了57%,耗能能力提高了130%,荷載循環(huán)次數(shù)提高了15%,在框架梁柱節(jié)點采用鋼纖維混凝土可代替部分箍筋,既改善了節(jié)點區(qū)的抗震性能,又解決了鋼筋過密,施工困難等問題。2.2 碳纖維復(fù)合材料碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維 (GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱夫拉纖維 (KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)

7、溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH 溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特質(zhì)，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕等。但與一般碳素材料不一樣的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟并可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。 碳纖維具有如下優(yōu)點：高強(qiáng)度（是鋼鐵的5倍） ，優(yōu)良的耐熱性(可以耐受2000以上的高溫) ，出色的抗熱沖擊性 ，低熱膨脹系數(shù)，熱容量小，比重?。ㄤ摰?/5），優(yōu)秀的

8、抗腐蝕與輻射性能4。碳纖維的主要用途一般與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在已有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域和要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢。由于這些優(yōu)良性能，碳纖維已成為抗震材料的研究熱點。2.3 木材 木材本身彈塑性很好，變形性能好，重量輕，是一種韌性很好的建筑材料。由于木材的抗沖擊性能好，所以在抗震建筑中有很多應(yīng)用。以日本為例，同時為了提高傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力，是日本最普通的民宅是箱體設(shè)計，地震災(zāi)害發(fā)生時房屋可以整體翻滾而不會損毀。民居屋頂五彩繽紛的“瓦片

9、”其實是塑料制成的，墻體多是“整體結(jié)構(gòu)”5，是一種類似石棉的填充物，墻面很輕，地震發(fā)生后即使倒塌也不會砸爛屋內(nèi)家具和將人砸傷。2.4 活性粉末混凝土（RPC）活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,簡稱RPC）是一種新型超高強(qiáng)度水泥基復(fù)合材料。它具有超高的力學(xué)性質(zhì)，優(yōu)良的耐久性，較低的收縮和徐變性能。RPC材料的顯著特點是強(qiáng)度更高、韌性更大。200MPa級RPC材料的抗壓強(qiáng)度為170230MPa，是HSC的24倍；抗折強(qiáng)度為3060MPa，是HSC的46倍；斷裂能達(dá)到15000 40000J/m2,而NC的斷裂能只有120 J/m2。可見RPC具有優(yōu)良的韌性和力學(xué)特性

10、。RPC中的空隙量極小，使得空氣滲透數(shù)低，水分吸收特別值小，因面具有超高的耐久性，其耐久性能比普通混凝土以及高性能混凝土好得多。此外，RPC還是一種符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的環(huán)保材料，因此這種材料在新材料市場顯得格外有競爭力6。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，RPC200可以作為一種很有前途的抗震結(jié)構(gòu)材料。這是由于更輕的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)降低了慣性荷載；結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面高度的減少允許構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)發(fā)生更大的變形；極高的斷裂能及高韌性使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以吸收更多的地震能。應(yīng)用于框架節(jié)點將極大提高節(jié)點的抗震承載力，并徹底解決節(jié)點區(qū)鋼筋過密、箍筋綁扎困難和混凝土難以澆筑密實等問題。3高層建筑抗震結(jié)構(gòu)我國高層建筑結(jié)構(gòu)主要有框架

11、、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等結(jié)構(gòu)體系。為了增強(qiáng)抗震性能,我國主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu),在高層建筑中占90以上,國外則以鋼結(jié)構(gòu)為主。兩者相比較,鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的強(qiáng)度、韌性和延性,強(qiáng)度重量比,總體上看抗震性能好,抗震能力強(qiáng),在地震災(zāi)害中出現(xiàn)的倒塌破壞現(xiàn)象也比較少。3.1 脊骨結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑布置條件可由支撐、外伸框架或單跨空腹梁構(gòu)成,可采用全鋼或鋼筋混凝土組合體系,適用于具有高大門廳、空曠地下車庫,頂部階梯式的高層建筑。由于抗側(cè)力構(gòu)件沿高度連續(xù),避免了薄弱樓層,有利于結(jié)構(gòu)抗震,保證剛度和穩(wěn)定的抗側(cè)力構(gòu)件是高層建筑的脊骨,包括豎向構(gòu)件抵抗由傾覆力矩引起的軸力及由對角支撐或剛性連接的構(gòu)件或抗側(cè)力

12、的墻組成剪離膜,一個脊骨結(jié)構(gòu)包括位于建筑外端少數(shù)鋼、混凝土或組合巨型柱,這些柱不應(yīng)影響各樓層的使用。巨型柱由支撐、空腹桁架或剛性連接的外伸框架梁連接成為一個脊骨結(jié)構(gòu),脊骨結(jié)構(gòu)的組成要點:一是要上下貫通,以達(dá)到有效的抗傾覆力矩及剪力;二是巨型柱要有一定的距離,以達(dá)到有效的抗傾覆力矩;三是脊骨結(jié)構(gòu)主軸應(yīng)與結(jié)構(gòu)主軸相重合;四是樓板結(jié)構(gòu)應(yīng)能直接將樓層荷載傳到巨型柱以提高抗傾覆能力;五是脊骨結(jié)構(gòu)在平面上包括的面積應(yīng)能提供良好的抗扭剛度。3.2 鋼結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)合點柱壁局部加厚技術(shù)來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。一般鋼框架結(jié)構(gòu),梁和柱結(jié)合點通常是柱上加焊鋼制隅撐與梁端用螺栓緊固連接。在這種方式下,鋼柱必須在結(jié)合部被

13、切斷,加焊隅撐后再結(jié)合,這樣做技術(shù)上的不穩(wěn)定性和材料品質(zhì)不齊全的可能性很大,而且遇到大地震,鋼柱結(jié)合部折斷的危險性很大。鑒于此,可以首先該結(jié)構(gòu)的梁柱采用高密度鋼材,以發(fā)揮其高強(qiáng)抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免斷柱形式,對二、三層的獨立住宅而言,結(jié)構(gòu)柱可以一貫到底,從而解決易折問題。與梁結(jié)合部柱壁達(dá)到兩倍厚,所采用的是高頻加熱引導(dǎo)增厚技術(shù)。在制造過程中品質(zhì)易下降的鋼管經(jīng)過加熱處理反而使材料本來所具有的拉伸強(qiáng)度得以恢復(fù)。對于地震時易產(chǎn)生的應(yīng)力集中,柱的增厚部位能發(fā)揮很大的阻抗能力,從而提高和強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)的抗震性7。33 復(fù)雜連體結(jié)構(gòu) 高層建筑連體結(jié)構(gòu)是近十幾年來發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式，所謂連體

14、結(jié)構(gòu)是指兩個塔樓或多個塔樓由設(shè)置在一定高度處的連接體(又稱連廊)相連而組成的建筑物。在地震作用下由于連接體的存在使得由原來獨立發(fā)生振動的塔樓要相互作用、相互影響，在地震作用下的反應(yīng)遠(yuǎn)比單塔結(jié)構(gòu)和無連接體的多塔結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，會出現(xiàn)較強(qiáng)的禍聯(lián)震動、扭轉(zhuǎn)加大等現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)的抗震性能也不如單體結(jié)構(gòu)，因此連接體的設(shè)置改變了結(jié)構(gòu)的動力特性。高層連體結(jié)構(gòu)的特點主要有以下幾點8, 9：對稱性、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、連體兩端的連接處理方式重點考慮滑動支座的做法，限復(fù)位裝置的構(gòu)造，并應(yīng)提供滑動支座的預(yù)計滑移量。當(dāng)采用阻尼器作為限復(fù)位裝置時，也可歸為弱連接方式。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗震安全目標(biāo)并提高結(jié)構(gòu)的抗震功能要求，已經(jīng)成為工程抗震領(lǐng)

15、域亟待解決的課題。3.4 結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造“以柔克剛” 我國傳統(tǒng)文化中“以柔克剛”的思想在高層建筑的設(shè)計中具有很高的思想價值，具有一定的指導(dǎo)意義。在建筑的設(shè)計中，可以從傳統(tǒng)的以硬性為主的抗震模式向以柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)以柔克剛、剛?cè)嵯酀?jì)，利用柔勁降低地震的能量，減少損壞10?！耙匀峥藙偂北举|(zhì)上是一種“以退為進(jìn)”的避災(zāi)法，通過吸收轉(zhuǎn)化災(zāi)害能量，避免建筑發(fā)生破壞?！耙宰儜?yīng)變”是指以變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，適應(yīng)變化的災(zāi)害環(huán)境。宋代開封的開寶寺塔，為防御長年累月的西北風(fēng)，建造時有意識的將塔傾向西北。以期“吹之不百年當(dāng)正”，采用的是另一種“以變應(yīng)變”方法。 目前實用的抗震新技術(shù)有：隔震技術(shù)、耗能減

16、震技術(shù)、吸振減震技術(shù)11。抑制地震作用，不使地震能量傳遞到建筑物的隔震方法已經(jīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用。理論和實際地震都表明這種結(jié)構(gòu)可以大大地減少地震時上部結(jié)構(gòu)物的加速度和層問變形，從而減少建筑物的破壞。由于這種體系能有效地消除建筑物的振動，因而會給人們比較安全的感覺?，F(xiàn)在，已有許多隔震建筑問世，如在北京建造的利用砂墊層隔震的強(qiáng)震觀察室兼住宅、在美國建造的使用高阻尼橡膠墊隔震的復(fù)希爾法律司法中心、在新西蘭建造的利用擺動樁隔震的奧克蘭工會大樓等。4.結(jié)論（1）隨著科技的飛速發(fā)展，抗震新材料層出不窮。它們共同的優(yōu)點均是良好的耐久性、柔韌性，理論上可以大大提高高層建筑的抗震性能。然而這些新材料普遍存在的問

17、題是成本較高，且在施工技術(shù)上存在一些操作上的問題。因此，在抗震新材料的開發(fā)上，依然任重道遠(yuǎn)，在理論上與實際上均有較強(qiáng)可行性的抗震新材料仍有待開發(fā)。（2）高層建筑物有效地減輕了住房壓力, 同時也帶來了安全隱患,其結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。隨著設(shè)計理念的不斷發(fā)展,相信高層建筑物必將朝著更加合理的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)： 1黃樹培. 淺析高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)及材料運用J. 科技資訊, 2010(002):81. 2胡垚. 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計J. 湖南農(nóng)機(jī), 2012,39(3):265-266. 3薛素鐸, 趙均, 高向宇. 建筑抗震設(shè)計M. 科學(xué)出版社, 2003. 4楊靜, 建筑材料. 建筑材料與人居環(huán)境M. 清華大學(xué)出版社, 2001. 5樓旦豐, 楊彥鑫. 淺談日本抗震建筑設(shè)計的要素J. 科協(xié)論壇, 2011(6):19-20. 6柯開展, 蔡文堯. 活性粉末混凝土 (RPC) 在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與前景J