浅谈新型结构设计与材料的应用探讨

1、浅谈新型结构设计与材料的应用探讨摘要： 随着社会经济的发展和科学技术的不断进步， 高层建筑也 越来越多。在城市高层建筑如雨后春笋般拔地而起的今天，如何做 好新型高层建筑结构与材料的抗震分析和设计也成为设计人员必 须关注的问题。关键字：高层建筑；结构设计；抗震设计abstract: with the development of social economy and theimprovement of science and technology, high building more and more. inthe city high-rise building where springing

2、 up today, how well the newhigh-rise building structure and material of seismic analysis and designalso become the designer must pay much attention.key word: high building; structure design; seismic design中图分类号：tu97文献标识码：a文章编号： 从上个世纪开始，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

3、多发区（地震基本烈度6度及其以 上的地震区面积约占全国面积的60%），高层抗震设计设防更是工 程设计面临的迫切的任务。作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗 震分析更处于非常重要的地位。1材料的选用和结构体系问题在地震多发区，采用何种建筑材料 或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国高层建筑中常采用的结构体系有：框架、框架-剪力墙、 剪力墙和筒体等几种体系，这也是其他国家高层建筑采用的主要体 系。但国外，特别地震区， 是以钢结构为主， 而在我国钢筋混凝土 结构及混合结构却占了90%.如此高的钢筋混凝土结构及混合结 构，国内外都还没有经受较大的考验。钢结构同混凝土结构相比， 具有优越的强度、 韧性

4、和延性， 总体上看抗震性能好， 抗震能力强。震害调查表明，钢结构较少出现倒塌破坏情况。在高层建筑中采 用框架-核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又可减少柱子 断面，故常被业主所看中。混合结构的钢筋混凝土内往往要承受80%以上的震层剪力， 有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土结 构的位移值为基准，但因其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢 框架协同工作减小侧移， 不仅增加了钢结构的负担， 而且效果不大， 有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能 满足规范侧移限值；此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结 构转换层。加强层和转换层都在本层形成刚度而导致结构刚度突变，常常会使与

5、加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强 层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因 此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减 小其本身刚度，减小其不利影响。唐山钢铁厂震害调查资料统计参数结构形式总建筑面积（万川）倒塌和严重破坏比例（%）中等破坏比例（%）钢结构3.6709.3钢 筋混 凝土 结 构 4.0623.247.9 砌 体 结 构 3.0941.220.9 在高 层建筑中，应注意结构体系及材料的优选。现在我国钢材产量已居 世界前列，建筑钢材的类型及品种也在逐渐增多，钢结构的加工制 造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方， 建议尽可能采用型 钢混

6、凝土结构 （src） 、 钢管混凝土结构 （cfs）或钢结构（s或）， 以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，由于钢结构质量较轻而且较柔，为减小风振 而需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。工 程经验表明：利用钢管混凝土承重柱自重可减轻65%左右，由于柱 截面减小而相应增加使用面积，钢材消耗指标与钢筋混凝土结构相 近，而工程造价和钢筋混凝土结构相比可降低15%左右，工程施工工期缩短1/2.此外钢管混凝土结构显示出良好的延性和韧性。2关于新型结构与材料的探讨和应用2.1脊骨结构（inestructure）特别适用于具有高大门厅、空旷 地下车库，顶部阶梯式的高层

7、建筑。脊骨结构根据建筑布置条件可 由支撑、外伸框架或单跨空腹梁构成，可采用全钢或钢筋混凝土组 合体系。由于抗侧力构件沿高度连续，避免了薄弱楼层，有利于结 构抗震，保证刚度和稳定的抗侧力构件是高层建筑的脊骨，包括竖 向构件抵抗由倾覆力矩引起的轴力及由对角支撑或刚性连接的构 件或抗侧力的墙组成剪离膜（shearmembran&, 个脊骨结构包括 位于建筑外端少数钢、混凝土或组合巨型柱，这些柱不应影响各楼层的使用。巨型柱由支撑、空腹桁架或刚性连接的外伸框架梁连接 成为一个脊骨结构，以下是脊骨结构组成的几个要点。(1)为了有效的抗倾覆力矩及剪力，脊骨结构应当是上下贯通 的。(2)为了有效的抗倾

8、覆力矩，巨型柱相距越远越好。(3)脊骨结构主轴应与结构主轴相重合。(4)楼板结构应能直接将楼层荷载传到巨型柱以提高抗倾覆能 力。2.2剪力膜的三种型式：带支撑框架(bracedframe)，巨型柱由跨过多层的对角支撑连在 一起。带外伸框架的支撑筒体(bracedcorewithoutriggerframe)。单跨空腹梁(freeaingvierendeels)。不论是风力控制或地震力 控制的高层建筑，脊骨结构体系都是非常有效的。可用于20层至100层的高层建筑。在国外，脊骨结构已在高层建筑中得到应用。 如：美国费城53层的拜耳大西洋塔楼(bellatlantictower)采 用全钢脊骨结构和

9、56层的米尼亚波里斯(mieapolis)的西北中心 (northwestcenter)大楼具有多层次阶梯形屋顶是采用组合巨型 柱脊骨结构。钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料，由于钢纤维阻滞 带基体混凝土裂缝的开展，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。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130%，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。 钢钎维几何参数参考范围表3钢纤维混凝土 工程类别长度（mm等效直径长径比一般浇注钢纤维混凝土20600.30.93080钢纤维混凝土抗震框架节点35600.30.95080结语：经济和