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建筑材料和结构构件的探讨

2014/05/06 阅读:

1钢筋混凝土结构

混凝土特性混凝土和钢材的热膨胀系数几乎一样,可确保两种材料结合在一起时产生同步热变形。因此,钢筋混凝土结构的一个重要特点就是环境温度的变化仅会在钢筋混凝土构件中引起很小的界面应变。混凝土抗压强度较大但抗拉强度较小,受平面内纯剪切作用时,混凝土主拉应力与剪力呈45°角,且主压应力与主拉应力正交。主应力值可从“莫尔应力圆”中计算得到,且只要混凝土不发生开裂并保持弹性,主拉应力值就与作用的剪切应力相同。当主拉应力达到其抗拉强度时,混凝土开裂,这时剪切应力达到了混凝土的抗拉强度,也就是说,混凝土剪切强度与其抗拉强度相同。普通混凝土抗压强度大约在12~100MPa之间,而其抗拉强度和抗剪强度仅为抗压强度的图5超高层钢筋混凝土结构1/10,对于高强混凝土,抗拉强度与抗压强度的比值会更小。

2钢结构

钢结构特性从英国工业革命时期,钢铁就开始在桥梁和建筑的建造中应用。著名的案例是伦敦世博会(1851年)建造的水晶宫以及巴黎世博会(1899年)建造的埃菲尔铁塔。由埃菲尔设计的纽约自由女神像是钢铁结构。现在,钢材已经广泛应用在超高层建筑、大跨体育场的屋顶、钢铁厂等工业建筑、学校健身房、超市以及大型仓库中。最近的数据表明,日本的钢结构建筑的总建筑面积比木结构的略大,钢结构在日本已成为广泛使用的一种结构。钢结构与混凝土结构相比具有如下优势:钢结构自重比混凝土结构小得多,可减少基础工作量;钢结构构件通常在工厂制作,然后运到现场通过高强螺栓和焊接组装成结构。钢结构的施工周期比混凝土结构短得多,且在建筑设计时允许有更大的空间灵活性。

3型钢混凝土混合结构

型钢混凝土结构的特性美国的高层建筑在建造初期沿用了传统欧洲砖石建造的建筑风格。然而,随建筑高度的增加,砖石结构不能再支承自身的重量。因此,钢被嵌入砖石柱和梁中来提供额外的强度。在20世纪30年代的纽约和芝加哥的高层建筑中,钢几乎承担了所有的荷载,而砖和混凝土块只用于增加建筑刚度并为钢提供防火保护。日本早期建造的建筑也应用了相同的施工方法,自此,由钢柱和钢梁嵌入钢筋混凝土中形成的型钢混凝土组合结构(SRC)开始被纳入设计考虑。这种结构体系在日本首次应用于1923年5月建成的日本兴业银行的办公大楼,建成几个月之后,这幢建筑便经历了1923年9月的日本关东大地震,并幸存下来且几乎没有被破坏。在这一成功案例的鼓舞下,日本开始将SRC结构广泛应用于高度小于60m的建筑中。这种结构体系在利用了钢筋混凝土结构和钢结构的优势的同时规避了它们的缺点。如上所述,钢结构构件具有易屈服、局部屈曲及耐火性较差等缺点,均可通过将钢构件嵌入混凝土来弥补;同时,钢筋混凝土柱在较高轴向力作用下的脆性剪切破坏可通过嵌入钢构件来避免;通常受自身重量限制的传统钢筋混凝土梁的跨度也可通过嵌入钢构件来增加。

4结构的塑性变形性能和强度

超高强度钢的前景上面已经讨论了木结构、钢筋混凝土结构、钢结构及型钢混凝土结构的特性。在日本、美国西海岸、中国、菲律宾、意大利,以及土耳其、阿尔及利亚、伊朗及印度等均发生过大地震。在所有地区,建筑结构的抗震设计都是一个不可避免的社会问题,正如上面讨论所给出的建议,结构的塑性变形性能对其在强震中是否能幸存下来是至关重要的。回顾过往,21世纪初,结构材料的发展为人类历史和文明的发展作出了很大贡献,而超高强度钢不仅具有更高的强度,还具有令人满意的可循环性及耐久性,预计在未来建筑结构的发展中会发挥重要的作用。随着钢材强度的增加,建造相同建筑所需的用钢量减少,结构自重降低且结构构件变小。换句话说,相同尺寸的结构构件,采用高强材料可建造更大型的结构。

5从抗震建筑到弹性城市

5.1城市的抗震性能通过许多相关研究和工程实践提高了建筑结构的抗震性能,并发展了多种类型的抗震结构。结构按抗震设防从高到低,有隔震结构、被动控制结构、基于强度的抗震结构以及延性结构。在技术高度发展的今天,只要未来地震的特征和强度不超过设计预期,相信以上四种类型的抗震结构都会表现出预期的抗震性能。然而,在大自然面前,结构工程师不应该对技术感到骄傲。因为,1995年的日本神户大地震后公布了关于延性结构整体抗震性能中出现的许多意想不到的问题,而这些延性结构在日本神户大地震之前曾被认为是最可靠的结构,但是该种结构即使在地震中不会倒塌,地震过后也会由于过度的变形而不可修复,这种结构的抗震性能并不能满足社会需求。地震是一种自然现象,建筑结构抗震设计最困难的问题在于对地震预知甚少,任何关于未来地震的大小和发生时间的预测都是不可靠的。大地震的发生概率低,并不代表不会发生。抗震设计时,由于需要平衡地震安全性和建筑经济性,一般不考虑这样的大地震,但就城市安全而言,这更像是与自然的赌博。单体建筑的寿命仅约为60年,而由大量单体建筑构成的城市则可能会存在几百年甚至上千年。设计和建造的抗震建筑可抵御的抗震强度是按照单体建筑的寿命确定的,似乎不足以保证寿命远长于单体建筑的整个城市的安全。另一方面,如果设计的建筑旨在抵御未来可能发生的最大地震,但是在建筑几十年的寿命中这样大的地震没有发生,也是金钱和资源的浪费,这也确实存在矛盾。5.2美丽建筑的结构生命的意义是什么?建筑在其中起的作用是什么?建筑通常与衣食并列,为人类提供活动空间,免遭风雨袭击,且在地震中保证生命安全。实际上,这些只是对建筑的最低要求,但却并不能仅仅满足于此。因为建筑在作为人类避难所的同时也塑造了历史和文化。建筑是人类活动,包括文化活动的场所,2004年芝加哥中心竣工的露天音乐厅———千禧公园音乐馆。从舞台延伸的传播管道就像是圣诞礼物的巨型丝带,舞台上的乐队通过这些管道向坐在草地上的观众传播音乐。管道支承着扬声器结构,不仅要承担扬声器自重,也需要能抵御芝加哥的强风。建造这样一个看似简洁的结构,采用新型的材料以及先进的设计、制造和施工工艺是很有必要的,它也在提醒我们要一直保有“做一些新东西”的渴望。

作者:和田章曲哲单位:日本东京工业大学中国地震局工程力学研究所

建筑材料和结构构件的探讨

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