輕骨料混凝土的特性及其在高層建筑中適用性

　　摘要：介紹了常見(jiàn)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系以及輕骨料混凝土的主要物理力學(xué)特性。表明輕骨料混凝土在高層建筑中適用，并已經(jīng)廣泛使用。

　　關(guān)鍵詞： 高層建筑  輕骨料混凝土  物理力學(xué)特性

　　1.常見(jiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)體系

　　常見(jiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要有四類(lèi)，分別是框架結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系（框剪結(jié)構(gòu)）、剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及筒體結(jié)構(gòu)體系。

　　框架結(jié)構(gòu)體系是由梁、柱組成結(jié)構(gòu)框架。整棟結(jié)構(gòu)大部分由梁、柱組成，就稱(chēng)為框架結(jié)構(gòu)體系。它是高層抗側(cè)力體系最基本的組成部分?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有平而布置靈活、房屋自重輕、施工方便、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度主要取決于梁、柱的截而尺寸。通常梁柱截而慣性矩小，側(cè)向變形較大，這是框架的主要缺點(diǎn)，也因此限制了框架結(jié)構(gòu)的使用高度。按照抗震要求設(shè)計(jì)的鋼筋混凝上框架結(jié)構(gòu)都可以成為延性大，耗能能力強(qiáng)的延性框架結(jié)構(gòu)，具有較好的抗震性能。因此，在地震區(qū)高度較大的高層建筑，框架是一種較好的結(jié)構(gòu)體系。

　　框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在結(jié)構(gòu)中同時(shí)布置框架和剪力墻。它可以將兩種結(jié)構(gòu)互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，即能提供較大較靈活的布置空間，又具有良好的抗震性能，因此這種體系在高層建筑中獲得了廣泛應(yīng)用。由于框架、剪力墻的協(xié)同受力，結(jié)構(gòu)的層間變形沿建筑高度比較均勻。地震時(shí)，一般情況下，剪力墻為第一道防線(xiàn)，框架為第二道防線(xiàn)，形成了多道抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)。因此框架-剪力墻結(jié)構(gòu)適用建筑高度范圍較大。

　　剪力墻結(jié)構(gòu)體系是用鋼筋混凝上剪力墻抵抗豎向荷載和抵抗水平力的結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)是指一個(gè)完全由剪力墻抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)，剪力墻構(gòu)件可作為設(shè)備井的墻體，也可作為電梯井、樓梯間的墻體或房間的內(nèi)隔墻。剪力墻通常貫通到基底并與基礎(chǔ)剛性連接，形成豎向懸臂梁?，F(xiàn)澆鋼筋混凝上剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，抗側(cè)剛度大，承載力大，在水平力作用下的側(cè)移小，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，能設(shè)計(jì)成抗震性能好的延性剪力墻，具有令人滿(mǎn)意的抗震性能。剪力墻結(jié)構(gòu)施工方便，適用高度較大。然而，由于剪力墻的間距一般很小，平而布置不靈活、建筑空間受到限制就成為它的主要缺點(diǎn)。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)的自重往往也較大。

　　簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)包括框架一核心筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)?？蚣芤缓诵耐步Y(jié)構(gòu)由實(shí)體的核心筒和外框架構(gòu)成。一般將樓電梯間及一些服務(wù)用房集中在核心筒內(nèi)；其他需較大空間的辦公用房、商業(yè)用房等布置在外框架部分。由于核心簡(jiǎn)實(shí)際上是兩個(gè)方向的剪力墻構(gòu)成封閉的空間結(jié)構(gòu)，具有更好的整體性與抗側(cè)剛度?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)體系適用于高度較高，功能較多的建筑。筒中筒結(jié)構(gòu)是由實(shí)體的內(nèi)筒與空腹的外筒組成?？崭雇馔灿擅芘胖案叨容^大的橫梁組成。筒中筒結(jié)構(gòu)體系具有更大的整體性與側(cè)向剛度，因此適用于高度很大的建筑。如果將若干筒體組合成成組筒結(jié)構(gòu)體系，則側(cè)向剛度更大，可適用于特別高的超高層建筑。

　　2.輕骨料混凝土的主要特性

　　輕骨料混凝土是由輕骨料、砂、水泥和水、需要時(shí)加入化學(xué)外加劑配制而成的，干表觀(guān)密度不大于1900kg/m3的混凝土。其強(qiáng)度等級(jí)用LC表示，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到LC30及以上者為高強(qiáng)輕骨料混凝土，可用于結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件。高性能輕骨料混凝土具有以下特性：

　?、儋|(zhì)輕高強(qiáng)。LC30以上的高強(qiáng)輕骨料混凝土的表觀(guān)密度為1600kg/m3～1900kg/m3,比同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土輕25%～35%。

　　②高耐久性。輕骨料為多孔材料，本身的微孔微管系統(tǒng)在攪拌時(shí)能吸收一定量的水分，減少了貼近界面區(qū)的水膜層厚度，還能在水泥水化過(guò)程中不斷的釋放水分加強(qiáng)水泥水化，促使強(qiáng)度快速提高。輕骨料的表面構(gòu)成主要為硅酸鹽和鋁硅酸鹽玻璃相，具有潛在的化學(xué)活性，能夠與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，輕骨料表面粗糙并具有大量的紋路凹槽，可防止形成任何擇優(yōu)取向的晶體，同時(shí)增加其與水泥石的機(jī)械嚙合力。這些微觀(guān)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使混凝土界面過(guò)度區(qū)的性能得到了增強(qiáng)，從而整體結(jié)構(gòu)更加均勻，提高了混凝土體系的耐久性。輕骨料的多孔性還可以緩解低溫水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹力，使高強(qiáng)輕骨料混凝土具有良好的抗凍性。日本對(duì)高性能輕集料混凝土抗凍性的研究表明，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失僅0.2%～0.4%。同時(shí)，輕骨料的多孔和低彈性模量特點(diǎn)可以成功緩解堿集料反應(yīng)形成的巨大應(yīng)力，從而使混凝土結(jié)構(gòu)免遭凍結(jié)破壞。

　　③隔熱保溫性能好。表觀(guān)密度為1750kg/m3的高強(qiáng)輕骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.84w/m.k，大大低于普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)1.5w/m.k，22cm厚的輕骨料混凝土墻板熱阻值相當(dāng)于37cm磚墻。從建筑節(jié)能方面考慮，采用高性能輕骨料混凝土作墻體材料，比傳統(tǒng)的實(shí)心粘土磚或普通混凝土可節(jié)能約30%～50%。如果考慮用于夏季降溫的能耗，全年總建筑的節(jié)能將達(dá)到40%～60%。

　?、苣突鹦?xún)?yōu)。一般建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，普通混凝土樓板耐火1h，而輕骨料混凝土樓板可耐火4小時(shí)，在600℃高溫下，輕骨料混凝土能維護(hù)室溫強(qiáng)度的85%，而普通混凝土只能維持35%～75%。

　?、菘?jié)B性好。高性能輕骨料混凝土的“雙微孔”微泵性能，其界面粘結(jié)非常好，堵住了水路，抗?jié)B性能優(yōu)良。

　　⑥綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好。盡管高性能強(qiáng)輕骨料混凝土單方造價(jià)比同強(qiáng)度等級(jí)的普通密度混凝土高，但由于其減輕了建筑物的自重、降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，縮小結(jié)構(gòu)斷面和增加使用面積，可降低工程造價(jià)5%～10%，因而具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

　?、呖拐鹦阅芎?。輕骨料混凝土密度輕，彈性模量低，變形性能好。1976年唐山地震，天津的四棟輕骨料混凝土大板建筑基本完好，震后照常使用，而周?chē)慕ㄖ加胁煌潭鹊钠茐?。根?jù)輕骨料混凝土的特性以及這些具體的案例，我們認(rèn)為輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)體系具有較好的抗震性。

　　3.結(jié)語(yǔ)

　　鑒于輕骨料混凝土的一系列在物理力學(xué)方面的優(yōu)點(diǎn)，使得其在高層建筑中的應(yīng)用有著天然的優(yōu)勢(shì)，目前輕骨料混凝土已經(jīng)在高層建筑以及大型橋梁等大自重的工程項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。

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