高层建筑抗震结构材料应用

【摘 要】随着城市化进程的加快,城市规模进一步扩大,高层建筑逐渐在城市中兴起和发展.我国大部分地区处于环太平洋地震带上,属于地震频发区,从住房安全的角度来说,高层建筑的抗震能力得到了政府以及人民群众的广泛关注.本文分析了高层建筑的抗震结构,运用的抗震材料,以及抗震措施.

【关 键 词】高层建筑；抗震；结构及材料

和玉树地震发生后,我国的经济遭受了巨大的损失,但这也给我们未来的发展带来了许多启示.回顾当时的情景,所有的建筑物几乎全部倒塌,与低层建筑相比较,高层建筑的倒塌和破坏程度更为严重.近年来,世界范围内的高层建筑、超高层建筑都在不断的刷新其高度.现今世界第一高楼是2010年竣工位于阿拉伯联合酋长国迪拜的哈利法塔,共有162层,总高828米.而且建筑结构也愈加复杂,对于建筑的抗震安全都存在不利影响.为了提升高层建筑的抗震安全性,达到安全与经济的统一,我们对高层建筑的抗震结构与设计,以及抗震材料的运用等进行了深入探讨.

一、地震如何破坏建筑

根据全球地震分析,能够在地震发生时对建筑产生直接破坏的可分为三种情况：

(一)地震时引起地陷、山崩、地面错位或裂缝等地面变形的产生,在城市修建时,直接在其上部建设.

(二)地震致使软土震陷、沙土液化等地基失效现象,造成上层建筑的破坏.

(三)地面运动激发产生的剧烈震动使得建筑物结构遭受到过大的破坏,进而出现倒塌或倾覆现象.

二、分析建筑的抗震性能

建筑抗震性能取决于：抗震设计、抗震设防标准以及施工质量等三方面.

（一）建筑的抗震设计需要满足“小震无碍、中震小碍、大震不倒”的标准,确立合理可行的抗震实施方案,选择合适的抗震结构形式,进而确保此结构的抗震性能符合建筑的整体功效.大多城市高层建筑都采用具有良好的变形能力、变形强度,且相对抗震性能较强的建筑结构.如：框架—核心筒（剪力墙）结构、现行剪力墙浇筑结构.对于多层结构的住宅大楼而言,建筑结构较多的采用砖混结构类型,建筑楼板大都进行现场的浇筑,并且设置圈梁,建设构造柱等抗震措施,亦或是进行框架结构建设进而确保和增加建筑的抗震能力.

（二）抗震设防标准即根据抗震要求等级和烈度标准进行规划和设计,也即是对于具体建筑物的抗震设计标准需结合建筑的具体使用功能.对于一般的建筑物而言,烈度设计是根据本地区实际情况进行防震烈度设计.烈度设计越高,抗震的性能就越高,说明建筑物的安全性能就越强,但这样相应的增加了建筑的造价成本.

（三）施工质量是建筑工程的关键部分,确保施工质量,并加强施工质量的监管,这也是确保此建筑是否具有较强抗震性能的外在关键因素.

三、从建筑结构与抗震材料的使用方面分析建筑抗震性能

(一)地震多发区对于抗震结构体系的特殊建设

我国建筑结构中对于抗震结构的设计通常有：房屋框架结构、剪力墙结构以及剪力支撑体系建设,这些是我国建筑抗震结构中比较常用的几个方面,尤其适用于城市高层建筑的设计中.当前时期,国内外对于地震多发地区的抗震情况多以钢结构建筑为主,尤其是在框架结构建筑方面,钢结构建筑的使用占有很大比例.另一方面,由于我国建筑水平有限,在近年来才对新型建筑结构进行研究和应用,因此大多数建筑物还是属于砖混结构,砖混结构建筑在地震多发区与钢结构建筑相比,韧性方面表现出明显的不足,并且混凝土的配比与性质特点等在抗震方面都体现出局限性,需要就新型建筑方式进行全面的改进.

根据我国对于建筑地震受害的情况进行分析,新型钢结构建筑在抗震方面具有很强的优势,出现较大等级的地震情况下,钢结构能够对建筑框架维持较强的稳定性.但就我国建筑的基本情况分析,由于我国建筑行业为了减小建筑成本,在进行钢结构建筑建造的情况下,使得建筑用钢量的明显减少,房屋框架式结构与剪力结构对于抗震性能方面无法做到具体的提升,使得在发生高强度地震的情况下,混凝土结构发生位移,并且出现弯曲断折的现象,使房屋结构增大承压负荷,混凝土强度极限无法满足抗震的基本要求.

在房屋结构设计方面,通过使用柱体渐变式间距结构,在多层或者高层建筑的建设中需要设计转换层,由于每一层建筑物的承压强度都会逐渐减小,底层建筑物承压情况最为明显,在结构功能出现刚性突变的情况下,房屋剪力结构的承重负荷突然增大,使得房屋伸展臂与交换层的梁柱结构出现松弛,因此需要在对建筑物进行转换层设计时,需要对建筑结构刚性以及最小刚度限制进行约束,避免结构缺陷对于建筑物主体抗震性能的减弱.

(二)抗震建筑材料的探讨与应用

抗震的建筑材料需具备量方面的要求.第一,建筑材料需具备足够的强度.强度高却不同于高抗震,对于脆弱性较明显的建筑材料,其抗拉、抗折强度显得尤其重要.另外,抗震材料应具备安全可靠性和耐久性,以便能够减轻不同介质和材料以及不同的使用环境所造成的不利影响,进而提高建筑材料的使用寿命和建筑的安全性.

自1924年水泥和混凝土开始投入使用以来,便成为人类社会使用量最大的建筑材料,对于人类文明的发展和经济的发展都起到了非常重要的作用.从抗震角度方面分析来看,水泥、混凝土属于脆性的建筑材料,让其作为建筑材料特别是具有高抗震性地区的结构材料是非常不利于建筑安全的.通过对建筑物的结构设计或运用钢筋等材料进行脆性降低等方式可以得到有效解决,同时也可以通过改变水泥、混凝土的自身特性来应对.

对于水泥、混凝土自身性能自身抗震性能的改良途径较广,包括以下几个方面：

首先,控制拌和混凝土过程的用水量.混凝土的强度、耐久性和工作性能对水具有较强的敏感性,当水胶比降到0.3或以下时,混凝土的强度至少会提高一倍.混凝土通过掺加具有高效的减水剂来改善混凝土的脆性特点,也可以通过减少拌和用水量使混凝土强度得到提高,进而提升混凝土的耐久性、可靠性和致密性.混凝土的极限压力越小,受到破坏时其脆性特征就会越明显,对于抗震功能是极为不利的,因此,必须同时采用增加其韧性的工程技术.

其次,采用更改聚合物特性的方法,以便明显提高混凝土抗侵蚀能力和抗渗性,改善堆料界面与混凝土浆液的结合,当聚合物掺加到一定量时,混凝土的脆性特征便呈现出良好的聚合物延性特征.并且,掺加聚合纤维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：掺加聚合纤维体积份数达到百分之二的PVA时,混凝土的拉应变便可提高3—7%,并且试件的强度也不会受到任何影响.

再次,集料的质量也会影响到混凝土的质量,尤其是影响其耐久性.例如：使用有害成分的集料或碱活性集料进行混凝土的制备,不但会降低混凝土的耐久性和缩短其寿命,甚至可能在突发的地质灾害中增加其受到的破坏,进而导致损失增大.

最后,还应从根本上改变和增加水泥品种,如选用高后期强度、低水化放热、特别是抗蚀性能好、抗折强度高的低热酸盐水泥,即现今市场已有的高贝利特水泥.这是重点工程建设较好抗震技术途径.而高贝利特水泥的低热高强特性说明,配置高、性能高的混凝土是理想的胶凝材料,此类水泥具有良好的稳定性、耐久性和优越的抗裂性,因此,在国家的重点工程项目建设中已得到了广泛的应用.