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 轻骨料混凝土的特性及其在高层建筑中适用性

    摘要:介绍了常见的高层建筑结构体系以及轻骨料混凝土的主要物理力学特性。表明轻骨料混凝土在高层建筑中适用,并已经广泛使用。

  关键词: 高层建筑  轻骨料混凝土  物理力学特性

  1.常见高层建筑结构体系

  常见高层建筑结构体系主要有四类,分别是框架结构体系、框架-剪力墙结构体系(框剪结构)、剪力墙结构体系以及筒体结构体系。

  框架结构体系是由梁、柱组成结构框架。整栋结构大部分由梁、柱组成,就称为框架结构体系。它是高层抗侧力体系最基本的组成部分。框架结构具有平而布置灵活、房屋自重轻、施工方便、节省材料等优点。框架结构的抗侧刚度主要取决于梁、柱的截而尺寸。通常梁柱截而惯性矩小,侧向变形较大,这是框架的主要缺点,也因此限制了框架结构的使用高度。按照抗震要求设计的钢筋混凝上框架结构都可以成为延性大,耗能能力强的延性框架结构,具有较好的抗震性能。因此,在地震区高度较大的高层建筑,框架是一种较好的结构体系。

  框架-剪力墙结构体系是在结构中同时布置框架和剪力墙。它可以将两种结构互相取长补短,即能提供较大较灵活的布置空间,又具有良好的抗震性能,因此这种体系在高层建筑中获得了广泛应用。由于框架、剪力墙的协同受力,结构的层间变形沿建筑高度比较均匀。地震时,一般情况下,剪力墙为第一道防线,框架为第二道防线,形成了多道抗震设防结构。因此框架-剪力墙结构适用建筑高度范围较大。

  剪力墙结构体系是用钢筋混凝上剪力墙抵抗竖向荷载和抵抗水平力的结构体系。剪力墙结构是指一个完全由剪力墙抵抗水平荷载的结构,剪力墙构件可作为设备井的墙体,也可作为电梯井、楼梯间的墙体或房间的内隔墙。剪力墙通常贯通到基底并与基础刚性连接,形成竖向悬臂梁。现浇钢筋混凝上剪力墙结构的整体性好,抗侧刚度大,承载力大,在水平力作用下的侧移小,经过合理设计,能设计成抗震性能好的延性剪力墙,具有令人满意的抗震性能。剪力墙结构施工方便,适用高度较大。然而,由于剪力墙的间距一般很小,平而布置不灵活、建筑空间受到限制就成为它的主要缺点。此外,剪力墙结构的自重往往也较大。

  简体结构包括框架一核心筒结构与筒中筒结构。框架一核心筒结构由实体的核心筒和外框架构成。一般将楼电梯间及一些服务用房集中在核心筒内;其他需较大空间的办公用房、商业用房等布置在外框架部分。由于核心简实际上是两个方向的剪力墙构成封闭的空间结构,具有更好的整体性与抗侧刚度。框架-核心筒结构体系适用于高度较高,功能较多的建筑。筒中筒结构是由实体的内筒与空腹的外筒组成。空腹外筒由密排柱及高度较大的横梁组成。筒中筒结构体系具有更大的整体性与侧向刚度,因此适用于高度很大的建筑。如果将若干筒体组合成成组筒结构体系,则侧向刚度更大,可适用于特别高的超高层建筑。

  2.轻骨料混凝土的主要特性

  轻骨料混凝土是由轻骨料、砂、水泥和水、需要时加入化学外加剂配制而成的,干表观密度不大于1900kg/m3的混凝土。其强度等级用LC表示,强度等级达到LC30及以上者为高强轻骨料混凝土,可用于结构承重构件。高性能轻骨料混凝土具有以下特性:

  ①质轻高强。LC30以上的高强轻骨料混凝土的表观密度为1600kg/m3~1900kg/m3,比同强度等级的普通混凝土轻25%~35%。

  ②高耐久性。轻骨料为多孔材料,本身的微孔微管系统在搅拌时能吸收一定量的水分,减少了贴近界面区的水膜层厚度,还能在水泥水化过程中不断的释放水分加强水泥水化,促使强度快速提高。轻骨料的表面构成主要为硅酸盐和铝硅酸盐玻璃相,具有潜在的化学活性,能够与水泥水化生成的Ca(OH)2发生化学反应。此外,轻骨料表面粗糙并具有大量的纹路凹槽,可防止形成任何择优取向的晶体,同时增加其与水泥石的机械啮合力。这些微观结构上的特点使混凝土界面过度区的性能得到了增强,从而整体结构更加均匀,提高了混凝土体系的耐久性。轻骨料的多孔性还可以缓解低温水结冰产生的膨胀力,使高强轻骨料混凝土具有良好的抗冻性。日本对高性能轻集料混凝土抗冻性的研究表明,经过标准冻融循环后其质量损失仅0.2%~0.4%。同时,轻骨料的多孔和低弹性模量特点可以成功缓解碱集料反应形成的巨大应力,从而使混凝土结构免遭冻结破坏。

  ③隔热保温性能好。表观密度为1750kg/m3的高强轻骨料混凝土的导热系数为0.84w/m.k,大大低于普通混凝土的导热系数1.5w/m.k,22cm厚的轻骨料混凝土墙板热阻值相当于37cm砖墙。从建筑节能方面考虑,采用高性能轻骨料混凝土作墙体材料,比传统的实心粘土砖或普通混凝土可节能约30%~50%。如果考虑用于夏季降温的能耗,全年总建筑的节能将达到40%~60%。

  ④耐火性优。一般建筑物发生火灾时,普通混凝土楼板耐火1h,而轻骨料混凝土楼板可耐火4小时,在600℃高温下,轻骨料混凝土能维护室温强度的85%,而普通混凝土只能维持35%~75%。

  ⑤抗渗性好。高性能轻骨料混凝土的“双微孔”微泵性能,其界面粘结非常好,堵住了水路,抗渗性能优良。

  ⑥综合技术经济效果好。尽管高性能强轻骨料混凝土单方造价比同强度等级的普通密度混凝土高,但由于其减轻了建筑物的自重、降低基础处理费用,缩小结构断面和增加使用面积,可降低工程造价5%~10%,因而具有显著的综合经济效益。

  ⑦抗震性能好。轻骨料混凝土密度轻,弹性模量低,变形性能好。1976年唐山地震,天津的四栋轻骨料混凝土大板建筑基本完好,震后照常使用,而周围的建筑都有不同程度的破坏。根据轻骨料混凝土的特性以及这些具体的案例,我们认为轻骨料混凝土结构体系具有较好的抗震性。

  3.结语

  鉴于轻骨料混凝土的一系列在物理力学方面的优点,使得其在高层建筑中的应用有着天然的优势,目前轻骨料混凝土已经在高层建筑以及大型桥梁等大自重的工程项目中广泛应用。

 

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