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  物理力學特性

　　1.常見高層建筑結(jié)構(gòu)體系

　　常見高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要有四類，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?？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，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)中同時布置框架和剪力墻。它可以將兩種結(jié)構(gòu)互相取長補短，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，一般情況下，剪力墻為第一道防線，框架為第二道防線，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。現(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)過合理設(shè)計，能設(shè)計成抗震性能好的延性剪力墻，具有令人滿意的抗震性能。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。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)的自重往往也較大。

　　簡體結(jié)構(gòu)包括框架一核心筒結(jié)構(gòu)與筒中筒結(jié)構(gòu)。框架一核心筒結(jié)構(gòu)由實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。由于核心簡實際上是兩個方向的剪力墻構(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、需要時加入化學外加劑配制而成的，干表觀密度不大于1900kg/m3的混凝土。其強度等級用LC表示，強度等級達到LC30及以上者為高強輕骨料混凝土，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。LC30以上的高強輕骨料混凝土的表觀密度為1600kg/m3～1900kg/m3,比同強度等級的普通混凝土輕25%～35%。

　?、诟吣途眯?。輕骨料為多孔材料，本身的微孔微管系統(tǒng)在攪拌時能吸收一定量的水分，減少了貼近界面區(qū)的水膜層厚度，還能在水泥水化過程中不斷的釋放水分加強水泥水化，促使強度快速提高。輕骨料的表面構(gòu)成主要為硅酸鹽和鋁硅酸鹽玻璃相，具有潛在的化學活性，能夠與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生化學反應(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，同時增加其與水泥石的機械嚙合力。這些微觀結(jié)構(gòu)上的特點使混凝土界面過度區(qū)的性能得到了增強，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，使高強輕骨料混凝土具有良好的抗凍性。日本對高性能輕集料混凝土抗凍性的研究表明，經(jīng)過標準凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失僅0.2%～0.4%。同時，輕骨料的多孔和低彈性模量特點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。表觀密度為1750kg/m3的高強輕骨料混凝土的導熱系數(shù)為0.84w/m.k，大大低于普通混凝土的導熱系數(shù)1.5w/m.k，22cm厚的輕骨料混凝土墻板熱阻值相當于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)能將達到40%～60%。

　?、苣突鹦詢?yōu)。一般建筑物發(fā)生火災(zāi)時，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，在600℃高溫下，輕骨料混凝土能維護室溫強度的85%，而普通混凝土只能維持35%～75%。

　　⑤抗?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)濟效果好。盡管高性能強輕骨料混凝土單方造價比同強度等級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)處理費用，縮小結(jié)構(gòu)斷面和增加使用面積，可降低工程造價5%～10%，因而具有顯著的綜合經(jīng)濟效益。

　?、呖拐鹦阅芎谩］p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，而周圍的建筑都有不同程度的破壞。根據(jù)輕骨料混凝土的特性以及這些具體的案例，我們認為輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)體系具有較好的抗震性。

　　3.結(jié)語

　　鑒于輕骨料混凝土的一系列在物理力學方面的優(yōu)點，使得其在高層建筑中的應(yīng)用有著天然的優(yōu)勢，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目中廣泛應(yīng)用。

　　參考文獻

　　[1]李建華.國外輕骨料混凝土應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1982

　　[2]雍本.特種混凝土設(shè)計與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993

　　[3]高永孚,陳增華,梁雪松.輕骨料混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[C].第六屆全國輕骨料及輕骨料混凝土學術(shù)討論會論文集.北京:中國建筑學會,2000

　　[4]宋紹銘.輕骨料混凝土在高層建筑和大跨橋梁工程上的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].江蘇建筑.2003.92(增刊)