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摘要：随着城市化进程的加快和经济的快速发展,高层建筑已成为未来建筑的发展趋势。我国位于地震多发地带，从安全角度讲,抗震是高层建筑首先要考虑的问题。汶川大地震、雅安地震和日本阪神大地震中,建筑倒塌是造成人员伤亡的最重要原因。地震灾难警示着我们:防震减灾刻不容缓，但任重而又道远。房屋尤其是高层房屋抗震设计已经成为建筑工程设计的重要课题,而科学的抗震结构和建筑材料是高层建筑安全的重要保证。
关键词：高层建筑、抗震结构、抗震材料；
一、前言
随着城镇化水平的迅速提高,城市用地紧张,土地价格日益高涨,作为一个地方经济实力象征，高层建筑在城市建筑中越来越多。高层建筑的结构及材料也是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。自从1885年世界上第一幢高层建筑——美国芝加哥家庭保险公司大楼兴建以来，至今已有100多年的历史了。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，而且在高度上也大幅度增长。进入上世纪90年代后，结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程。特别是我国处于地震多发区，加之以往的地震灾害，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务。作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。
二、高层建筑抗震结构
我国高层建筑结构主要有框架、框架-剪力墙、剪力墙和筒体等结构体系。为了增强抗震性能,我国主要采用钢筋混凝土结构和混合结构,在高层建筑中占90％以上,国外则以钢结构为主。两者相比较,钢结构具有优越的强度、韧性和延性,强度重量比,总体上看抗震性能好,抗震能力强,在地震灾害中出现的倒塌破坏现象也比较少。
2.1 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,适用于具有高大门厅、空旷地下车库,顶部阶梯式的高层建筑。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,一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,脊骨结构的组成要点:一是要上下贯通,以达到有效的抗倾覆力矩及剪力;二是巨型柱要有一定的距离,以达到有效的抗倾覆力矩;三是脊骨结构主轴应与结构主轴相重合;四是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;五是脊骨结构在平面上包括的面积应能提供良好的抗扭刚度。
2.2 钢结构
采用钢框架结合点柱壁局部加厚技术来提高结构抗震性能。一般钢框架结构,梁和柱结合点通常是柱上加焊钢制隅撑与梁端用螺栓紧固连接。在这种方式下,钢柱必须在结合部被切断,加焊隅撑后再结合,这样做技术上的不稳定性和材料品质不齐全的可能性很大,而且遇到大地震,钢柱结合部折断的危险性很大。鉴于此,可以首先该结构的梁柱采用高密度钢材,以发挥其高强抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免断柱形式,对二、三层的独立住宅而言,结构柱可以一贯到底,从而解决易折问题。与梁结合部柱壁达到两倍厚,所采用的是高频加热引导增厚技术。在制造过程中品质易下降的钢管经过加热处理反而使材料本来所具有的拉伸强度得以恢复。对于地震时易产生的应力集中,柱的增厚部位能发挥很大的阻抗能力,从而提高和强化了结构的抗震性。
2.3 复杂连体结构
高层建筑连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式，所谓连体结构是指两个塔楼或多个塔楼由设置在一定高度处的连接体(又称连廊)相连而组成的建筑物。在地震作用下由于连接体的存在使得由原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响，在地震作用下的反应远比单塔结构和无连接体的多塔结构受力复杂，会出现较强的祸联震动、扭转加大等现象，其结构的抗震性能也不如单体结构，因此连接体的设置改变了结构的动力特性。高层连体结构的特点主要有以下几点：对称性、扭转效应、连体两端的连接处理方式重点考虑滑动支座的做法，限复位装置的构造，并应提供滑动支座的预计滑移量。当采用阻尼器作为限复位装置时，也可归为弱连接方式。强化结构的抗震安全目标并提高结构的抗震功能要求，已经成为工程抗震领域亟待解决的课题。
2.4 结构抗震新技术——结构构造“以柔克刚”
我国传统文化中“以柔克刚”的思想在高层建筑的设计中具有很高的思想价值，具有一定的指导意义。在建筑的设计中，可以从传统的以硬性为主的抗震模式向以柔性为主的抗震模式转变，实现以柔克刚、刚柔相济，利用柔劲降低地震的能量，减少损坏。“以柔克刚”本质上是一种“以退为进”的避灾法，通过吸收转化灾害能量，避免建筑发生破坏。“以变应变”是指以变化的结构构造，适应变化的灾害环境。宋代开封的开宝寺塔，为防御长年累月的西北风，建造时有意识的将塔倾向西北。以期“吹之不百年当正”，采用的是另一种“以变应变”方法。
目前实用的抗震新技术有：隔震技术、耗能减震技术、吸振减震技术。抑制地震作用，不使地震能量传递到建筑物的隔震方法已经在结构设计领域应用。理论和实际地震都表明．这种结构可以大大地减少地震时上部结构物的加速度和层问变形，从而减少建筑物的破坏。由于这种体系能有效地消除建筑物的振动，因而会给人们比较安全的感觉。现在，已有许多隔震建筑问世，如在北京建造的利用砂垫层隔震的强震观察室兼住宅、在美国建造的使用高阻尼橡胶垫隔震的复希尔法律司法中心、在新西兰建造的利用摆动桩隔震的奥克兰工会大楼等。
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三、高层建筑抗震材料
从建筑材料的角度来看，抗震建筑材料必须具备轻质、高强、高韧、优异的耐久性和安全可靠性。例如：木、钢、钢纤维混凝土、复合材料等。下面介绍其中常用和新型抗震材料。
3.1 钢纤维混凝土
钢纤维混凝土是一种性能优良的新型复合材料,由于钢纤维阻滞带基体混凝土裂缝的发展,从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等比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很大改善。钢纤维对基体混凝土的增强作用随着纤维的体积比、长径比的增大而增大,但在工程实际中,纤维含量有一定限度,超过这一限值,用一般方法搅拌、成型就会有困难。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%。主要应用于柱梁节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁、筏形基础等一些结构部位。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较,结构的延性提高了57%,耗能能力提高了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。
3.2 碳纤维复合材料
碳纤维，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维 (GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯夫拉纤维 (KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特质，如耐高温、耐摩擦、导电、导热和耐腐蚀等。但与一般碳素材料不一样的是，其外形有显著的各向异性、柔软并可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。 碳纤维具有如下优点：高强度（是钢铁的5倍） ，优良的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温) ，出色的抗热冲击性 ，低热膨胀系数，热容量小，比重小（钢的1/5），优秀的抗腐蚀与辐射性能。
碳纤维的主要用途一般与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在已有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的应用领域和要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由于这些优良性能，碳纤维已成为抗震材料的研究热点。
3.3 木材
木材本身弹塑性很好，变形性能好，重量轻，是一种韧性很好的建筑材料。由于木材的抗冲击性能好，所以在抗震建筑中有很多应用。以日本为例，同时为了提高传统木结构房屋的抗震能力，是日本最普通的民宅是箱体设计，地震灾害发生时房屋可以整体翻滚而不会损毁。民居屋顶五彩缤纷的“瓦片”其实是塑料制成的，墙体多是“整体结构”，是一种类似石棉的填充物，墙面很轻，地震发生后即使倒塌也不会砸烂屋内家具和将人砸伤。
3.4 活性粉末混凝土（RPC）
活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete,简称RPC）是一种新型超高强度水泥基复合材料。它具有超高的力学性质，优良的耐久性，较低的收缩和徐变性能。
RPC材料的显著特点是强度更高、韧性更大。200MPa级RPC材料的抗压强度为170～230MPa，是HSC的2～4倍；抗折强度为30～60MPa，是HSC的4～6倍；断裂能达到15000 ～40000J/m2,而NC的断裂能只有120 J/m2。可见RPC具有优良的韧性和力学特性。RPC中的空隙量极小，使得空气渗透数低，水分吸收特别值小，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还是一种符合我国可持续发展战略要求的环保材料，因此这种材料在新材料市场显得格外有竞争力。
在抗震结构设计方面，RPC200可以作为一种很有前途的抗震结构材料。这是由于更轻的结构系统降低了惯性荷载；结构构件横截面高度的减少允许构件在弹性范围内发生更大的变形；极高的断裂能及高韧性使结构构件可以吸收更多的地震能。应用于框架节点将极大提高节点的抗震承载力，并彻底解决节点区钢筋过密、箍筋绑扎困难和混凝土难以浇筑密实等问题。
四、结论
（1）随着科技的飞速发展，抗震新材料层出不穷。它们共同的优点均是良好的耐久性、柔韧性，理论上可以大大提高高层建筑的抗震性能。然而这些新材料普遍存在的问题是成本较高，且在施工技术上存在一些操作上的问题。因此，在抗震新材料的开发上，依然任重道远，在理论上与实际上均有较强可行性的抗震新材料仍有待开发。
（2）高层建筑物有效地减轻了住房压力, 同时也带来了安全隐患,其结构设计非常重要。随着设计理念的不断发展,相信高层建筑物必将朝着更加合理的方向发展。
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论文作者:屠磊
论文发表刊物:《基层建设》2016年7期
论文发表时间:2016/7/4
标签：结构论文; 高层建筑论文; 材料论文; 混凝土论文; 碳纤维论文; 脊骨论文; 梁柱论文; 《基层建设》2016年7期论文;