建筑土木研究生(课程论文).doc

建筑抗震的结构及材料运用讨论
蒋喆（宁夏大学土木与水利工程学院11级研究生）
摘 要： 地震发生时，建筑的倒塌是造成人员伤亡的最主要原因。从20世纪开始，各国的专家、 学者对抗震设计进行了一系列研究。进入20世纪90年代，结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的历史日程，特别是我国处于地震多发区，并且城市用地紧张，所以抗震设计设防更是工程设计面临的迫切任务。

1 影响建筑抗震性能的因素
1.1 房屋建筑抗震性能首先取决于建筑的抗震设防标准
不仅仅是取决于建筑的抗震设防标准，还要严格的遵循建筑抗震设计规范。国家根据地震发生的可能性和震害的严重性确定各地区基本设防烈度，这是各地区抗震设计的基本参数，主要代表地面加速度的大小。对具体房屋，需要结合建筑使用功能的重要性确定建筑的抗震设防标准，即确定设计烈度和抗震等级。对一般建筑，设计烈度就是本地区设防烈度。设计烈度愈高，抗震能力愈强，但建筑造价也愈高。
1.2 房屋结构的抗震性能与合理的抗震设计密切相关
抗震设计就是要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，确保建筑物满足 “小震不坏、 中震可修、 大震不倒” 的抗震目标。 高层住宅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。因此，无论板式住宅还是点式住宅，只要设计合理，都可满足抗震要求。多层住宅大部分采用砖混结构，日前多采用现浇楼板，并采取设构造柱和圈梁等抗震措施，或者采用框架结构，大大增强了抗震能力。
1.3 房屋抗震性能还与施工质量等其它因素有关
在建筑房屋时还应加强施工质量监督、 规范，对建筑的使用管理是十分必要的。
2 合理的抗震结构体系的选用
2.1 在地震多发区，结构体系的合理性应该得到充分的重视
结构体系的选择是抗震设计中的最关键问题。结构体系应根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、材料和施工等因素, 经技术、经济条件综合比较确定, 优先考虑抗震性能好的结构类型。
2.1.1结构类别的选择
从材料选用的角度看。单从抗震角度考虑, 作为一种结构材料应轻质、 高强、 材质均匀及延性好; 构件间的连接应有良好的整体性、 连续性及延性, 且能充分发挥材料的强度。按照这一原则, 钢材最好,钢筋混凝土次之, 混凝土及砌块最差。从结构类型看。钢结构的抗震性能最好, 余下依次是型钢混凝土结构, 混凝土- 钢组合结构,现浇钢筋混凝土结构,预应力混凝土结构, 装配式钢筋混凝土结构,配筋砌体结构,砌体结构。从结构体型看。钢结构优于钢筋混凝土结构,钢筋混凝土结构优于砌体结构。在混凝土结构中, 筒体结构的抗震性能优于单片墙体结构, 单片墙体结构优于空间框架结构, 空间框架结构优于平面框架结构。在砌体结构中, 配筋砌体结构优于无筋砌体结构中 配筋组合砌体结构又优于在砌体灰缝内直接配置钢筋的结构。
2. 2抗震结构体系的基本要求
《规范》指出结构体系应符合下列基本要求: ① 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。②应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。③应具备必要的抗震承载力, 良好的变形能力和消耗地震能量的能力。④宜具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位, 产生过大的应力集中。
2. 3 结构体系要有明确的计算简图和合理的传力路径
我们平常所讲的对结构体系进行抗震性能分析,无论是作平面二维分析还是空间三维分析, 都是对一个结构模型进行的,并非直接对实际结构本身直接进行分析计算, 其分析结果是在一系列的假定和简化下得到的。为了使结构的抗震分析结果更符合结构在地震时的实际情况, 减少由于假设和简化造成的误差, 要求结构体系的计算简图受力明确, 传力合理且传力路线不间断。如为了更有效地将地震作用传到地下,应尽可能减短传力路线, 避免选用低层抽柱等改变竖向力传递路线的结构体系。
2. 4 结构体系需设置多道防震线
砖墙、 框架、 抗震墙、 竖向支撑、 填充墙等构件,都可以抵御水平地震作用。由于它们在结构中的受力条件不同, 地震后果也就不一样。一般情况下,优先选择承担重力荷载的竖向支撑或填充墙、 或选用轴压比不太大的抗震墙之类的构件作为第一道抗震防线的抗侧力构件。主要承受竖向荷载的构件作为第二道甚至第三道防震线。对于框剪结构, 可让抗震墙作为第一道防震线,让框架体系作为第二道防震线。对于联肢抗震墙结构中, 联梁为第一道防震线, 墙肢为第二道防震墙。至于框架是整个结构中唯一的抗侧力体系时, 就采取 强柱弱梁!的结构设计方法, 以增强框架的延性, 在地震力作用下,让梁先屈服, 用梁的变形去消耗地震能量, 使柱退居第二道防线的地位。
2. 5 加强结构空间工作的协调性
首先要求结构的刚度、 强度及延性应相匹配。结构的刚度、 强度和延性是反应结构抗震性能的主要参数, 三者应相适应才能协作抗震。如: 结构的抗侧刚度越大,分担的地震作用也越大,因此要求其强度和延性也越高, 才能保证结构将吸收的地震能量 内部消化!, 否则结构将由于 收支不平衡!而受到严重破坏。其次要求结构空间竖向刚度过度均匀,不允许刚度突变, 否则突变前后结构难以协调工作, 必将出现应力集中使构件变形过大而破坏。
2. 6 选择合适的结构破坏机制
在地震作用下,结构有各种破坏可能, 每种破坏后果不同。设计时,应通过配筋变化或其他方式来调整、 选择一种破坏,使地震造成的损失最小。首先应选用水平构件先于竖向构件的破坏机制。在水平地震作用下,结构之所以能协调工作,主要是因为水平构件的传力和协调作用。如果水平构件先于竖向构件屈服,则水平构件可以消耗相当一部分地震能量,从而保证竖向构件的安全, 减轻震害。其次要消除或强化薄弱层,从结构的弹塑性时程分析结果可以看出多层结构中, 如果存在 屈强化!较小的薄弱楼层, 地震作用时该楼层即会出现较大的塑性变形集中, 危及结构的安全, 在结构设计中,应尽可能防止结构底层出现薄弱层和由层间刚度突变而引起的薄弱层。

3建筑材料的抗震探讨和应用
从建筑材料的角度分析抗震要求，一方面材料应具有足够的强度，虽然强度高并不等于高抗震，但对于具有脆性材料特征的建筑材料，其抗折、抗拉强度更为重要；另一方面是材料应具有优异的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同使用环境下、不同介质对材料产生的各种不利影响，以提高材料使用中的安全性和延长使用寿命。
水泥、 混凝土目前作为人类使用量最大的建筑材料，自1824年诞生至今，在人类社会经济与文明发展的过程中起到非常重要的作用。但从抗震的角度，水泥混凝土由于属于脆性材料，这对于作为结构材料尤其是有高抗震要求的地区建筑的结构材料是不利的。这一问题既可以在混凝土工程中通过结构设计或采用钢筋增强等途径得到解决，也可以通过对水泥混凝土自身的改性进行应对。从提高水泥混凝土抗震性能而言，对水泥混凝土自身的改性途径很多，一般可以包括以下几个方面或它们的组合：首要的是要严格控制混凝土拌合用水量。混凝土的工作性、 强度、 耐久性各项性能均对用水量非常敏感，水胶比从 0.5 降低到0.3以下可使混凝土的强度至少提高一倍，其主要途径掺加高效减水剂，不仅大大改善混凝土的工作性，而且能够通过降低混凝土用水量而大幅度提高混凝土强度，进而提高混凝土结构的致密性、耐久性和可靠性；但必须指出，强度不是万能的方案，混凝土强度越高，极限压应变越小，混凝土破坏时脆性特征越明显，这对于抗震来说是不利的，必须复合采用增韧技术。
采用聚合物改性，可以显著提高混凝土的抗渗性、 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，在国际上已经开发成功的超高强水泥弹簧，即是该应用的一个极端例证。
掺加聚合物纤维可有效地提高混凝土的早期抗裂能力，混凝土的延性也可得到提高。研究结果表明：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，日前该技术已在日本的新建大型建筑中应用。掺加钢纤维可以显著提高混凝土的机械性能。由于钢纤维阻止混凝土的开裂和裂缝扩展，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，因此钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料。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%，长径比建议取值。应用于一些结构部位，如柱梁节点、 柱子、 扁梁柱节点、 桩基承台、 屋面板、转换梁、 筏形基础等。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13%，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。
在保证混凝土足够的碱度防止钢筋锈蚀破坏以及碳化破坏的同时，适宜掺加掺合料可降低混凝土结构中主要存在于孔隙和浆体与集料界面的氢氧化钙的含量，改善界面结构，提高混凝土的抗渗性。
集料质量也是影响混凝土质量、 尤其是混凝土的耐久性的重要因素。例如，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。2003年土耳其地震后对倒塌建筑调查的结果表明，由于不当使用含氯离子高的海砂作为集料制备混凝土是导致增强钢筋加速锈蚀而使混凝土建筑在震中倒塌的主要原因。
当然，从通用水泥自身也可提出许多有益于提高混凝土耐久性的要求，如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。
此外，还可以从根本上调整水泥品种，例如选用低水化放热、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，对于重点工程建设是一种更好的技术途径。高贝利特水泥低热高强的特性表明，它是配制高强高性能混凝土的理想的胶凝材料，所配制的高贝利特大体积混凝土抗裂性优越、且具有良好的体积稳定性和优越耐久性，已在国家重点工程应用中得到证明。
4 结束语
经济和安全，是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观点看，如何从我国建筑抗震设计现状及国际抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，应该成为地震区建筑发展的新方向。
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