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1鋼筋混凝土結構

混凝土特性混凝土和鋼材的熱膨脹系數幾乎一樣，可確保兩種材料結合在一起時產生同步熱變形。因此，鋼筋混凝土結構的一個重要特點就是環境溫度的變化僅會在鋼筋混凝土構件中引起很小的界面應變。混凝土抗壓強度較大但抗拉強度較小，受平面內純剪切作用時，混凝土主拉應力與剪力呈45°角，且主壓應力與主拉應力正交。主應力值可從“莫爾應力圓”中計算得到，且只要混凝土不發生開裂并保持彈性，主拉應力值就與作用的剪切應力相同。當主拉應力達到其抗拉強度時，混凝土開裂，這時剪切應力達到了混凝土的抗拉強度，也就是說，混凝土剪切強度與其抗拉強度相同。普通混凝土抗壓強度大約在12～100MPa之間，而其抗拉強度和抗剪強度僅為抗壓強度的圖5超高層鋼筋混凝土結構1/10，對于高強混凝土，抗拉強度與抗壓強度的比值會更小。

2鋼結構

鋼結構特性從英國工業革命時期，鋼鐵就開始在橋梁和建筑的建造中應用。著名的案例是倫敦世博會(1851年)建造的水晶宮以及巴黎世博會(1899年)建造的埃菲爾鐵塔。由埃菲爾設計的紐約自由女神像是鋼鐵結構。現在，鋼材已經廣泛應用在超高層建筑、大跨體育場的屋頂、鋼鐵廠等工業建筑、學校健身房、超市以及大型倉庫中。最近的數據表明，日本的鋼結構建筑的總建筑面積比木結構的略大，鋼結構在日本已成為廣泛使用的一種結構。鋼結構與混凝土結構相比具有如下優勢:鋼結構自重比混凝土結構小得多，可減少基礎工作量;鋼結構構件通常在工廠制作，然后運到現場通過高強螺栓和焊接組裝成結構。鋼結構的施工周期比混凝土結構短得多，且在建筑設計時允許有更大的空間靈活性。

3型鋼混凝土混合結構

型鋼混凝土結構的特性美國的高層建筑在建造初期沿用了傳統歐洲磚石建造的建筑風格。然而，隨建筑高度的增加，磚石結構不能再支承自身的重量。因此，鋼被嵌入磚石柱和梁中來提供額外的強度。在20世紀30年代的紐約和芝加哥的高層建筑中，鋼幾乎承擔了所有的荷載，而磚和混凝土塊只用于增加建筑剛度并為鋼提供防火保護。日本早期建造的建筑也應用了相同的施工方法，自此，由鋼柱和鋼梁嵌入鋼筋混凝土中形成的型鋼混凝土組合結構(SRC)開始被納入設計考慮。這種結構體系在日本首次應用于1923年5月建成的日本興業銀行的辦公大樓，建成幾個月之后，這幢建筑便經歷了1923年9月的日本關東大地震，并幸存下來且幾乎沒有被破壞。在這一成功案例的鼓舞下，日本開始將SRC結構廣泛應用于高度小于60m的建筑中。這種結構體系在利用了鋼筋混凝土結構和鋼結構的優勢的同時規避了它們的缺點。如上所述，鋼結構構件具有易屈服、局部屈曲及耐火性較差等缺點，均可通過將鋼構件嵌入混凝土來彌補;同時，鋼筋混凝土柱在較高軸向力作用下的脆性剪切破壞可通過嵌入鋼構件來避免;通常受自身重量限制的傳統鋼筋混凝土梁的跨度也可通過嵌入鋼構件來增加。

4結構的塑性變形性能和強度

超高強度鋼的前景上面已經討論了木結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構及型鋼混凝土結構的特性。在日本、美國西海岸、中國、菲律賓、意大利，以及土耳其、阿爾及利亞、伊朗及印度等均發生過大地震。在所有地區，建筑結構的抗震設計都是一個不可避免的社會問題，正如上面討論所給出的建議，結構的塑性變形性能對其在強震中是否能幸存下來是至關重要的。回顧過往，21世紀初，結構材料的發展為人類歷史和文明的發展作出了很大貢獻，而超高強度鋼不僅具有更高的強度，還具有令人滿意的可循環性及耐久性，預計在未來建筑結構的發展中會發揮重要的作用。隨著鋼材強度的增加，建造相同建筑所需的用鋼量減少，結構自重降低且結構構件變小。換句話說，相同尺寸的結構構件，采用高強材料可建造更大型的結構。

5從抗震建筑到彈性城市

5.1城市的抗震性能通過許多相關研究和工程實踐提高了建筑結構的抗震性能，并發展了多種類型的抗震結構。結構按抗震設防從高到低，有隔震結構、被動控制結構、基于強度的抗震結構以及延性結構。在技術高度發展的今天，只要未來地震的特征和強度不超過設計預期，相信以上四種類型的抗震結構都會表現出預期的抗震性能。然而，在大自然面前，結構工程師不應該對技術感到驕傲。因為，1995年的日本神戶大地震后公布了關于延性結構整體抗震性能中出現的許多意想不到的問題，而這些延性結構在日本神戶大地震之前曾被認為是最可靠的結構，但是該種結構即使在地震中不會倒塌，地震過后也會由于過度的變形而不可修復，這種結構的抗震性能并不能滿足社會需求。地震是一種自然現象，建筑結構抗震設計最困難的問題在于對地震預知甚少，任何關于未來地震的大小和發生時間的預測都是不可靠的。大地震的發生概率低，并不代表不會發生。抗震設計時，由于需要平衡地震安全性和建筑經濟性，一般不考慮這樣的大地震，但就城市安全而言，這更像是與自然的賭博。單體建筑的壽命僅約為60年，而由大量單體建筑構成的城市則可能會存在幾百年甚至上千年。設計和建造的抗震建筑可抵御的抗震強度是按照單體建筑的壽命確定的，似乎不足以保證壽命遠長于單體建筑的整個城市的安全。另一方面，如果設計的建筑旨在抵御未來可能發生的最大地震，但是在建筑幾十年的壽命中這樣大的地震沒有發生，也是金錢和資源的浪費，這也確實存在矛盾。5.2美麗建筑的結構生命的意義是什么?建筑在其中起的作用是什么?建筑通常與衣食并列，為人類提供活動空間，免遭風雨襲擊，且在地震中保證生命安全。實際上，這些只是對建筑的最低要求，但卻并不能僅僅滿足于此。因為建筑在作為人類避難所的同時也塑造了歷史和文化。建筑是人類活動，包括文化活動的場所，2004年芝加哥中心竣工的露天音樂廳———千禧公園音樂館。從舞臺延伸的傳播管道就像是圣誕禮物的巨型絲帶，舞臺上的樂隊通過這些管道向坐在草地上的觀眾傳播音樂。管道支承著揚聲器結構，不僅要承擔揚聲器自重，也需要能抵御芝加哥的強風。建造這樣一個看似簡潔的結構，采用新型的材料以及先進的設計、制造和施工工藝是很有必要的，它也在提醒我們要一直保有“做一些新東西”的渴望。

作者：和田章曲哲單位：日本東京工業大學中國地震局工程力學研究所