目前国内比较常见的有三种方法:一种是通过加粗柱子、多加钢筋的传统方法来硬抗震;一种是把建筑物某些非承重部分设计成效能杆件或通过装设效能装置来减震;还有一种是通过在地基与柱子之间加钢板橡胶垫的方法来隔震。那么除了这些,还有哪些方向呢?
一、地震带的建筑设计要点
(一)砖混结构房屋
1.承重墙
(1)砖的强度不小于MU7.5.
(2)砂浆配比正确,其强度宜高于M5.
(3)砌砖要讲究章法,不能留直缝,墙体平直而没有歪斜。
2.设置圈梁
烈度6度和7度可隔层设置,超过7度必须层层设置圈梁,可视情况选择以下三种类型之一:
(1)钢筋混凝土圈梁,即在同一楼层面高度,沿纵横墙浇注一个闭合的钢筋混凝土梁。
(2)配筋砖带圈梁,在靠近楼板面附近,于所有纵横墙上面敷设2φ12的钢筋,满铺砂浆,再砌两皮砖,又再敷设2φ12钢筋,满铺砂浆,然后继续向上砌筑。
3.构造柱的设置
在施工时,于纵横墙交汇处预留缺口,浇注钢筋混凝土柱。
4.屋盖和楼盖与墙体连结牢固
措施:现浇钢筋混凝土楼板或屋面板,要求楼板伸进纵横墙的长度不小于120毫米。
5.门窗应设置过梁
6.突出屋顶的装饰物与顶圈梁要有牢固的连结
注:4φ10表示要用4根直径为10毫米的钢筋,其余类推。
(二)钢筋混凝土框架结构房屋
这类房屋技术较复杂,应请具相应资质等级的设计施工单位建造,它由梁、柱、楼(屋)盖、填充墙组成,要求平立面布局简单、均匀、规则。
1.柱的施工要求
措施:
(1)柱中线与梁中线应尽量重合;
(2)配筋率:中柱、边柱不小于0.5%,角柱不小于0.7%;
(3)混凝土强度不低于C20。
2.梁的施工要求
措施:
(1)梁宽不小于柱宽大的1/2;
(2)梁截面高宽比不大于4;
(3)顶、底面通长钢筋不小于2φ12;
(4)混凝土强度不低于C20。
3.节点的施工要求
措施:
(1)纵筋搭接方式和长度适中,锚固牢靠;
(2)切实保证节点区混凝土的密实性;
(3)在设防烈度8度以上地区,节点附近箍筋间距宜加密至150毫米以下。
4.填充墙的施工要求
措施:
(1)砂浆强度不低于M5;
(2)沿柱高每隔500毫米配置2φ6拉筋,且伸入墙内至少700毫米;
(3)墙体与梁、柱要紧密结合。
注:MU7.5砖块材料试样中心抗压强度为7.5Mpa,M5砂浆材料试样中心抗压强度为5.0Mpa,其余类推,C10混凝土试样中心抗压强度为10Mpa,其余类推。
(三)、单层硬山搁檩房屋
1、纵横墙、隔墙
措施:
(1)砂浆强度应在M5以上,砖的强度不低于MU7.5;
(2)纵横墙交接处要咬砌,并配拉结筋;
(3)隔墙宜作踏步式砌筑到顶。
2.屋盖
措施:
(1)檩条和墙、檩条和檩条间都必须有可靠连结;
(2)屋架与屋架之间要加支撑;
(3)两端山墙要用墙缆拉结。
二、地震带的建筑材料采购要点
1.加气混凝土
优点-轻质多孔、保温隔热、放火性能良好、可钉、可锯、可刨、抗震、环保;
应用-早在三十年代初期,我国就开始生产这种产品,并广泛使用于上海国际饭店、中国人民银行大楼等高低层建筑中。
2.抗震防水建筑材料(MULTI-PLY SHEET)
优点-吸水性强(能吸收其体积300倍的聚合物)、可塑性强(在室温条件下,这些材料成份呈液体,可被泵唧。一旦混合在一起,即刻成胶体)、压缩强度低、吸震能力较高、密封性强(凝固时,出现稍许膨胀,能在墙板和石块之间形成紧贴密封);
应用-适用于地震易发地区。
3.碳纤维复合材料
优点-抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性和耐久性好;
应用-采用碳纤维粘贴进行抗震加固的方式应是优选的方案。
4.一种隔热抗震幕墙复合材料(由内层板、中间层、聚氨酯发泡塑料、外层板、蜂窝支架组成)
优点-造价低廉,隔热节能,质轻、抗震性能优于玻璃墙幕;
应用-采用隔热抗震幕墙复合材料结合本发明给出的固定型材安装可以组成安全幕墙。
5.纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete,简称FRC)--纤维增强混凝土的简称,通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体,以金属纤维、无机纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料。
优点-高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性,同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献;
应用-到目前,随着钢纤维混凝土的推广应用,因纤维在混凝土中的分布情况不同,主要有四类:钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土、层布式钢纤维混凝土和层布式混杂纤维混凝土。
⑴钢纤维混凝土
钢纤维混凝土(简称SFRC)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。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。与普通混凝土相比,不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能,而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能,显著提高结构的疲劳性能及其耐久性。尤其是韧性可增加l0-20倍,与素混凝土相比,SFRC具有更优越的物理和力学性能:
a.较高的弹性模量和较高的抗拉、抗压、抗弯拉、抗剪强度;
b.卓越的抗冲击性能;
c.抗裂和抗疲劳性能优异;
d.能明显改善变形性能;
e.韧性好;
f.抗磨与耐冻融有改观;
g.强度和重量比增大,施工简便,材料性价比高,具有优越的应用前景和经济性。
但有关研究资料表明,钢纤维对混凝土的抗压强度并无明显促进作用,甚至还有所降低;与素混凝土相比,对于钢纤维混凝土的抗渗性、耐磨性、耐冲磨性及对防止混凝土早期塑性收缩等还存在正反(提高与降低)两方面甚至居中的观点。此外,SFRC用量较大价格较高,有生锈问题,对由于火灾引起的爆裂几乎无效等,这些问题都在不同程度影响了其应用。
⑵混杂纤维混凝土
混杂纤维混凝土(简称HFRC),试图把具有不同性能和优点的纤维混杂,取长补短,在不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强混凝土,以适应不同工程的需要。但是关于它的各种力学性能尤其是HFRC的疲劳变形及疲劳损伤、在静、动荷载以及等幅或变幅循环荷载作用下的变形发展规律和损伤特性、纤维的最佳掺配量、混杂比例、复合材料各组份的关系、增强效果及增强机理、抗疲劳性能、破坏机理、施工工艺、配合比设计等方面的研究还有待进一步进行。
⑶层布式钢纤维
人们提出了一种新型钢纤维结构形式--上下层布式钢纤维混凝土(简称LSFRC),它是将少量的钢纤维均匀撒布于路面板的上下两个表层,而中间仍为素混凝土层。
在不影响力学性能的条件下,这种材料大大降低了钢纤维的用量,同时也避免了整体式纤维混凝土在搅拌时易出现纤维结团现象。此外,钢纤维在混凝土中的层布位置对混凝土的抗折强度影响很大,钢纤维层布在混凝土底部增强效果最佳,随钢纤维层布位置上移,其增强效果明显减弱,上下层布式钢纤维混凝土,比同配合比的素混凝土抗折强度提高35%以上,比整体式钢纤维混凝土略低,但上下层布式钢纤维混凝土可节约大量材料成本,也不存在搅拌难的问题。
因此,上下层布式钢纤维混凝土是一种具有良好的社会经济效益和广阔的推广应用前景、值得在路面施工中推广的新材料。
⑷层布式混杂纤维混凝土
层布式混杂纤维混凝土(简称LHFRC)是在LSFRC基础上掺入0.1%的聚丙烯纤维,把大量细而短,具有较高抗拉强度、高极限延伸率的聚丙烯纤维均匀分布在上、下层钢纤维混凝土和中间层的素混凝土中。可以理解为是混杂合成纤维混凝土和层布式钢纤维混凝土的融合。
LHFRC在增强混凝土抗压强度方面的影响并不明显,与素混凝土相比,其对混凝土的强度提高仅为0.3%左右,且其抗压强度比层布式钢纤维混凝土低4%左右。
LHFRC在增强混凝土抗折强度有明显的提高,与素混凝土相比,其对素混凝土的抗折强度提高20%左右,与层布式钢纤维混凝土相比,其对层布式钢纤维混凝土的抗折强度提高2.6%,但对混凝土的抗折弹性模量的影响不大,LHFRC在增强混凝土弯曲韧性有明显的提高,弯曲韧性指数是素混凝土8倍左右,是层布式钢纤维混凝土的1.3倍,明显提高了混凝土的韧性。
在LHFRC中,由于两种或多种纤维在混凝土中的表现不同,我们可以根据工程的需要,利用合成纤维、钢纤维在混凝土中的正混杂效应,提高材料的延性、耐久性、韧性、初裂强度、抗折强度、抗拉强度等方面大幅度提高,延长材料的使用寿命和改善材料的质量。
三、国内外抗震施工技术对比
1.英国:抗震房屋裂纹自动愈合
英国科学家目前正在希腊的一处山坡上建造一种特殊的房屋,它能在地震中“自我愈合”.作为利用纳米聚合体粒子研发特殊墙体的带头人,英国利兹市的“纳米制造业协会”在欧盟的资助下正在研究这种“自愈”的墙体。据称,这种墙体在压力(地震期间)的挤压下,纳米聚合粒子将流入裂缝中并变硬,形成固体材料,从而对房屋的裂缝进行自动填补。
2.希腊:智能减震屋
由于希腊属于地震多发国家,所以研究抗震的办法一直是当地科研人员的重要课题,而这座新型“智能减震屋”就是最新研究成果。据研究人员介绍,“智能屋”的最大特色就是能够进行“自我保护和修复”.“智能屋”里安装了多种传感设备,即便是对最轻微的震动也会有所察觉,并可借助屋内设备减少甚至抵消地震带来的震动。
“智能屋”采用的材料具有自动修复功能,一旦墙体在地震中出现裂缝,液态修补材料可以像胶水一样,粘住裂缝并迅速固化,从而防止房屋倒塌。室内传感器还能迅速感知到温度的变化。一旦室温瞬间升高到一定程度,传感器就会通过互联网或卫星信号,自动通知附近居民并向消防部门报警,从而降低地震引发火灾给人们带来的伤害。据悉,首个“智能屋”将在一周内搭建完毕。研究人员将在接下来的半年时间里对它的实用性进行检验。
3.美国:滚珠大楼
美国建造了一种可以防震的“滚珠大楼”,如硅谷最近兴建的一座电子工厂大厦,在建筑物每根柱子或墙体下安装不锈钢滚珠,由滚珠支撑整个建筑,纵横交错的钢梁把建筑物同地基紧紧地固定起来,发生地震时,富有弹性的钢梁会自动伸缩,于是大楼在滚珠上会轻微地前后滑动,可以大大减弱地震的破坏力。
4.日本:抗震建筑百花齐放
⑴高层抗震大厦
日本大京公司一座号称日本最高(地上55层、高185米)的公寓,使用了与美国纽约世界贸易中心相同的钢管168根,确保了抗震强度。另外,该公寓还使用了刚性结构抗震体。如遇阪神大地震级别的地震发生时,柔性结构的建筑一般要摇动1米左右,而刚性结构建筑只摇动30厘米。三井不动产公司在东京都杉并区出售的一座免震结构公寓高达93米,建筑物的外围使用了新研制的高强度16积层橡胶,建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样,在6级地震发生时,就可将建筑物的受力减少至二分之一。三井不动产公司2000年已向市场投放40栋这种建筑。
⑵弹性大楼
地震高发区日本在这方面也特别有经验,他们设计了一种“弹性建筑”,有较好的抗震性能。日本东京建了12座弹性建筑。经东京发生的里氏6.6级地震考验,证明在减轻地震灾害方面效果显著。这种弹性建筑物建在隔离体上,隔离体由分层橡硬钢板组和阻尼器组成,建筑结构不直接与地面接触。阻尼器由螺旋钢板组成,以减缓上下的颠簸。
⑶可漂浮的抗震住宅
这个巨大的“足球”其实是日本Kimidori房屋所制造的叫做Barier的住宅。它可以抵御地震,并能漂浮在水面上。这座特别的住宅售价约为1390000日元,(约为10万元人民币)。
⑷廉价的“抗震居屋”
日本一公司研制出了一种廉价的“抗震居屋”,这种居屋全由木材建造,最小面积2平方米,造价2000美元,它能够在主体房屋坍塌时屹立不倒,也能够抵御坍塌结构的冲击和挤压,很好地保护屋内居民的生命和财产安全。
5.中国:古代抗震建筑设计
与西方砖石结构建筑的“以刚克刚”不同,中国传统的木结构建筑在抵抗地震冲击力时,采用的是“以柔克刚”的思维,通过种种巧妙的措施,其目标是以最小的代价,将强大的自然破坏力消弥至最小程度。
⑴柔性的框架结构:墙倒屋不塌
中华民族不但自文明伊始就睿智地选择了木材等有机材料作为结构主材,而且发展形成了世界上历史最悠久、持续时间最长、技术成熟度最高的结构体系-柔性的框架体系。我国木结构技术迄今至少已有近7000年的历史。中国的传统木结构,具有框架结构的种种优越性,如“墙倒屋不塌”的功效,但其柔性的连接,又使得它具有相当的弹性和一定程度的自我恢复能力。在汶川大地震中,许多文物建筑的墙体均不同程度地受损,但主体结构仍未倒塌,就是这种柔性框架结构抗震能力的表现。
⑵整体浮筏式基础、斗栱、榫卯:抗击地震的关键
我国古代很少建造平面复杂的建筑,主要采用长宽比小于2:1的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大,两侧的次间、梢间等依次缩小面宽,这样的设计非常有利于抵抗地震的扭矩。中国古代建筑一般由台基、梁架、屋顶构成,高等级的建筑在屋顶和梁柱之间还有一个斗栱层。中国古代建筑的台基用现代结构语言描述,堪称“整体浮筏式基础”,好比是一艘大船载着建筑漂浮在地震形成的“惊涛骇浪”中,能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏,减少地震波对上部建筑的冲击。中国传统建筑的梁架一般采用抬梁式构造,在构架的垂直方向上,形成下大上小的结构形状,实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。优雅的大屋顶是中国古代传统建筑最突出的形象特征之一,而且对提高建筑的抗震能力也做出过相当的贡献。
形成大屋顶(尤其是庑殿顶、歇山顶等)需要复杂结构和大量构件,大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性;庞大的屋顶以其自重压在柱网上,也提高了构架的稳定性。
⑶其他
除了这些较显著的手法外,中国古代传统建筑中还使用了大量的其他技术措施,这些措施是古建筑抗震的关键。比如榫卯的使用:榫卯是极为精巧的发明,我们的祖先早在7000年前就开始使用,这种不用钉子的构件连接方式,使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变形,在地震荷载下通过变形吸收一定的地震能量,减小结构的地震响应。
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