新型建筑結(jié)構(gòu)材料在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與效果評(píng)估

摘 要：本文從專業(yè)視角出發(fā)，通過實(shí)踐案例和技術(shù)分析，探討新型建筑結(jié)構(gòu)材料在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。研究表明，合理運(yùn)用新型材料可以有效提升建筑抗震性能，減少地震災(zāi)害損失，但應(yīng)用過程中存在材料成本高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題。未來應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，完善設(shè)計(jì)規(guī)范，推動(dòng)新型建筑結(jié)構(gòu)材料在抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新型建筑結(jié)構(gòu)材料；抗震設(shè)計(jì)；應(yīng)用；效果評(píng)估.

1 前言

地震是一種破壞力巨大的自然災(zāi)害，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。提高建筑抗震性能是減輕地震災(zāi)害影響的重要途徑，但傳統(tǒng)建筑材料和設(shè)計(jì)方法已難以滿足日益提高的抗震要求。近年來，新型建筑結(jié)構(gòu)材料在抗震設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出良好效果。本文將全面論述新材料在建筑抗震領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐案例，分析存在的問題，并提出相應(yīng)對(duì)策建議。

2新型建筑結(jié)構(gòu)材料概述

2.1新型建筑結(jié)構(gòu)材料的定義與分類

新型建筑結(jié)構(gòu)材料是指性能優(yōu)異、環(huán)保、功能多樣的新一代建筑材料。按材料成分和性能，可分為新型混凝土材料、新型鋼材料、新型復(fù)合材料等。新型混凝土材料包括高性能混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土等，具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性；新型鋼材料包括高強(qiáng)鋼、耐候鋼、不銹鋼等，強(qiáng)度高，塑韌性好，抗腐蝕；新型復(fù)合材料通過不同材料復(fù)合，形成輕質(zhì)高強(qiáng)材料，如玻璃纖維、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這些新材料極大拓寬了建筑材料的應(yīng)用空間，為建筑工程注入新活力。

2.2新型建筑結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)建筑材料相比，新型建筑結(jié)構(gòu)材料在力學(xué)性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。以高性能混凝土為例，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)100MPa～150MPa，是普通混凝土的25倍，抗拉和抗彎強(qiáng)度也大幅提高。新型鋼材的強(qiáng)度普遍在500MPa以上，超高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上，強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性和韌性也得以保證。新型復(fù)合材料則兼具高強(qiáng)度和輕質(zhì)的特點(diǎn)，以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，其強(qiáng)度是普通鋼材的10倍以上。新型建筑結(jié)構(gòu)材料優(yōu)異的力學(xué)性能，可用更少的材料達(dá)到同等的承載能力，有利于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的“減重增效”。高強(qiáng)輕質(zhì)材料也為跨越更大跨度、建造更高高度的建筑提供了材料基礎(chǔ)。

2.3國(guó)內(nèi)外新型建筑結(jié)構(gòu)材料的研究現(xiàn)狀

近年來，世界各國(guó)都高度重視新型建筑結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)和應(yīng)用。日本在高性能混凝土研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，研制出200MPa級(jí)超高強(qiáng)度混凝土，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在新型復(fù)合材料研究方面優(yōu)勢(shì)明顯，研發(fā)了多種高性能碳纖維、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在航空航天、高端裝備制造等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。我國(guó)在新型建筑結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展迅速?！熬盼濉币詠?，我國(guó)成功研制出多種高性能混凝土，強(qiáng)度等級(jí)最高達(dá)到C100，部分達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在新型鋼材料方面，研發(fā)了700MPa級(jí)橋梁纜索用高強(qiáng)鋼絲、抗震結(jié)

構(gòu)用低屈強(qiáng)比高性能鋼等。但總體而言，我國(guó)在新型建筑結(jié)構(gòu)材料研發(fā)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，在高端產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面有待進(jìn)一步提升。

3新型建筑結(jié)構(gòu)材料在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1新型混凝土材料的抗震應(yīng)用

新型混凝土材料憑借高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的優(yōu)異性能，在建筑抗震設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用（詳見表2）。高性能混凝土可用于制作高強(qiáng)度構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)整體承載力，減小構(gòu)件截面，有利于減輕結(jié)構(gòu)自重。在梁柱節(jié)點(diǎn)、剪力墻等抗震關(guān)鍵部位采用高性能混凝土，可顯著提升其抗剪抗震能力[1]。將纖維摻入混凝土中制得纖維增強(qiáng)混凝土，可大幅提高構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度和開裂后的變形能力，改善其受拉區(qū)域的抗裂性能，提高構(gòu)件延性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耗能能力。超高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度可超過120MPa，彈性模量可達(dá)50GPa，在超高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，有效提升結(jié)構(gòu)抗震性能。自密實(shí)混凝土具有高流動(dòng)性和高粘聚性，減少震后因振搗不密實(shí)導(dǎo)致的薄弱部位，從而提高結(jié)構(gòu)整體性。新型混凝土材料的綜合利用，可從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面全面提升建筑抗震能力。

3.2新型鋼材料的抗震應(yīng)用

新型鋼材料具有高強(qiáng)度、高韌性的優(yōu)點(diǎn)，在抗震設(shè)計(jì)中具有廣闊的應(yīng)用前景。高強(qiáng)鋼材如Q460、Q690等，屈服強(qiáng)度可達(dá)460MPa～690MPa，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)可大幅減小構(gòu)件截面，降低結(jié)構(gòu)自重，從而減小地震作用效應(yīng)。在抗震關(guān)鍵部位如梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)、支撐、耗能器等采用低屈強(qiáng)比高性能鋼材，可保證較高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的塑性變形能力，在強(qiáng)震下能夠通過塑性變形耗散更多地震能量，提高結(jié)構(gòu)延性和韌性。在鋼結(jié)構(gòu)的梁端采用具有應(yīng)變硬化特性的新型鋼材，有效提高梁端彎矩承載力，避免梁端因強(qiáng)震引起的脆性斷裂。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋中采用高強(qiáng)鋼筋，減少鋼筋用量，避免因配筋過密導(dǎo)致的施工困難和混凝土振搗不密實(shí)等問題。新型耐候鋼兼具高強(qiáng)度與耐腐蝕的特點(diǎn)，減少因腐蝕導(dǎo)致的構(gòu)件截面損失，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。

3.3新型復(fù)合材料的抗震應(yīng)用

以碳纖維復(fù)合材料為代表的新型復(fù)合材料，以其高比強(qiáng)度、高比剛度、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，在建筑抗震加固與抗震構(gòu)件設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。以敦煌莫高窟第53窟為例，該窟在歷經(jīng)千年風(fēng)蝕后，洞窟頂部出現(xiàn)數(shù)條貫通性裂隙，局部呈現(xiàn)失穩(wěn)垮塌風(fēng)險(xiǎn)。為提升該窟抗震性能，工程采用碳纖維布對(duì)洞窟頂部薄弱破損處進(jìn)行加固[2]。碳纖維布輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷，可顯著提高窟頂抗裂抗剪強(qiáng)度，約束開裂部位變形，提升結(jié)構(gòu)整體性，且碳纖維布耐久性好，能長(zhǎng)期保護(hù)窟體。除抗震加固外，采用復(fù)合材料制作新建筑的耗能支撐、隔震支座、阻尼器等抗震構(gòu)件也是大勢(shì)所趨。這類構(gòu)件輕質(zhì)高強(qiáng)，耗能能力好，可提高建筑整體抗震性能。但纖維復(fù)合材料造價(jià)高，長(zhǎng)期性能尚需驗(yàn)證，在建筑領(lǐng)域大范圍推廣仍需深化研究。

4新型建筑結(jié)構(gòu)材料抗震應(yīng)用效果評(píng)估

4.1抗震性能提升效果評(píng)估

采用新型建筑結(jié)構(gòu)材料是提高建筑抗震性能的重要途徑，為評(píng)估其實(shí)際應(yīng)用效果，有必要開展系統(tǒng)的抗震性能提升效果分析。以高性能混凝土為例，C80級(jí)高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)普通C30混凝土的2.67倍，抗拉強(qiáng)度提高50%以上，大幅提升了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。在相同配筋條件下，高性能混凝土柱的延性比普通混凝土柱提高30%左右，韌性和耗能能力顯著增強(qiáng)。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，在罕遇地震下，采用高性能混凝土的框架結(jié)構(gòu)，其位移和層間位移角比采用普通混凝土減小20%以上，提高了結(jié)構(gòu)抗震耐久性。高性能混凝土在提高建筑抗震性能方面的優(yōu)勢(shì)得到了理論分析與工程應(yīng)用的雙重印證[3]。但鑒于影響建筑抗震的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)新型建筑結(jié)構(gòu)材料的抗震性能提升效果評(píng)估仍有待于在更多實(shí)踐中加以論證。

4.2工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

采用新型建筑結(jié)構(gòu)材料雖然可顯著提升建筑抗震性能，但由于其造價(jià)普遍高于傳統(tǒng)材料，在實(shí)際應(yīng)用中必須開展經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，權(quán)衡建造成本與使用效益。以高性能混凝土為例，其材料成本雖是普通混凝土的2～3倍，但通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可減少梁柱截面，節(jié)約鋼筋用量20%～30%，綜合造價(jià)并未大幅上升。且采用高性能混凝土，結(jié)構(gòu)整體剛度明顯提高，可減少層數(shù)，節(jié)約造價(jià)。壽命周期成本分析表明，采用高性能混凝土結(jié)構(gòu)80年使用期內(nèi)的修繕、維護(hù)費(fèi)用可降低20%以上，綜合建造成本與使用效益來看，高性能混凝土具有良好的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于高性能鋼材，其材料雖然價(jià)格不菲，但強(qiáng)度高，用量少，部分工程實(shí)踐表明，采用高性能鋼材結(jié)構(gòu)用鋼量可減少15%～25%，成本并不顯著高于普通鋼結(jié)構(gòu)。

4.3新型材料應(yīng)用存在的問題分析

將新型建筑結(jié)構(gòu)材料推廣應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐中，在取得良好效果的同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)。材料成本高是制約新型材料推廣應(yīng)用的主要障礙，以復(fù)合材料為甚。高昂的材料成本使工程造價(jià)大幅攀升，甚至超出一般工程的承受能力，不利于新型材料的推廣。部分新型材料的設(shè)計(jì)理論和方法還不夠成熟，設(shè)計(jì)規(guī)范滯后，給工程應(yīng)用帶來困難。如高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，受限于抗震驗(yàn)算理論的滯后，設(shè)計(jì)中仍沿用普通混凝土的抗震措施，對(duì)其優(yōu)異性能無法充分利用。工程應(yīng)用實(shí)踐還表明，個(gè)別新型材料存在耐久性不足、施工難度大等問題，在建筑工程推廣中還需進(jìn)一步改善。當(dāng)前，土木工程領(lǐng)域?qū)π滦徒ㄖY(jié)構(gòu)材料缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，專業(yè)人才匱乏，也在一定程度上滯緩了新型材料在抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用步伐。

5新型建筑結(jié)構(gòu)材料抗震應(yīng)用的發(fā)展建議

5.1加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，優(yōu)化材料性能

新型建筑結(jié)構(gòu)材料要在抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大作用，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，優(yōu)化材料性能。高性能混凝土方面，應(yīng)研究高強(qiáng)高韌配比設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)更高強(qiáng)度、韌性、耐久性的混凝土。鋼鐵材料方面，應(yīng)加大高強(qiáng)高韌鋼材研制，攻克關(guān)鍵工藝技術(shù)，降低成本。復(fù)合材料方面，應(yīng)加強(qiáng)材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)功能一體化研究，發(fā)展高性能、多功能、低成本的建筑用復(fù)合材料。同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，揭示新材料本構(gòu)關(guān)系和破壞機(jī)理，奠定抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化新材料力學(xué)性能、耐久性能和工程適用性，擴(kuò)大其在建筑抗震領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.2完善設(shè)計(jì)規(guī)范，指導(dǎo)工程應(yīng)用

目前，新型建筑結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)規(guī)范滯后，在一定程度上制約了其抗震應(yīng)用，亟須完善相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，為新材料在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。應(yīng)及時(shí)總結(jié)已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開展系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究，完善高性能混凝土、高性能鋼材等在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的適用性條文要求，包括材料選用、構(gòu)件計(jì)算、抗震措施、構(gòu)造細(xì)節(jié)等，使其抗震設(shè)計(jì)有規(guī)可依。對(duì)尚處于研究探索階段的新材料，可制定相應(yīng)的技術(shù)導(dǎo)則，規(guī)范其應(yīng)用流程。同時(shí)，要充分利用新型材料的優(yōu)異性能，在新材料設(shè)計(jì)規(guī)范中體現(xiàn)“因材施策”的設(shè)計(jì)理念，避免套用傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)方法，最大限度發(fā)揮新材料的抗震效能。

5.3加大推廣力度，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

新型建筑結(jié)構(gòu)材料的推廣應(yīng)用還不夠廣泛，產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后，要加大推廣力度，加快培育和發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)。一方面，要進(jìn)一步加大政策支持和引導(dǎo)，將發(fā)展新型建筑結(jié)構(gòu)材料及其產(chǎn)業(yè)列入國(guó)家和地區(qū)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，完善產(chǎn)業(yè)扶持政策。另一方面，要加強(qiáng)宣傳培訓(xùn)，普及新型建筑結(jié)構(gòu)材料知識(shí)，加大專業(yè)人才培養(yǎng)力度，為新材料推廣應(yīng)用提供智力支持；要發(fā)揮行業(yè)組織和龍頭企業(yè)的示范引領(lǐng)作用，加快先進(jìn)技術(shù)成果向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，提高新材料工程應(yīng)用水平；要建立健全新型建筑結(jié)構(gòu)材料信息平臺(tái)，加強(qiáng)新材料信息交流共享，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合。

6結(jié)論

新型建筑結(jié)構(gòu)材料為提升建筑抗震性能提供了新思路和新方法。合理應(yīng)用新型材料，可有效減輕地震災(zāi)害影響，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，但新型材料在抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用仍存在諸多亟待解決的問題。未來應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究，健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加大推廣應(yīng)用，促進(jìn)新型建筑結(jié)構(gòu)材料在建筑抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為建設(shè)安全、韌性的人居環(huán)境做出新的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]程彪.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震策略研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2024（15）：70-72.

[2]鄭子超.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2024（13）：71-73.

[3]呂靜靜，趙藝園.高延性混凝土材料在某農(nóng)用住宅建筑抗震加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)建筑裝飾裝修，2024（08）：113-115.