型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的思考

　　關(guān)鍵詞：型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)；高強(qiáng)混凝土；栓釘；有限元分析

　　1引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的不斷發(fā)展和人們對(duì)物質(zhì)文化生活要求的日益提高，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已漸漸不能滿(mǎn)足現(xiàn)代建筑的要求，建筑的高度、跨度、強(qiáng)度面臨著新挑戰(zhàn)。而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，是在鋼筋混凝土中配置型鋼的一種組合結(jié)構(gòu)，漸漸成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是鋼與高強(qiáng)混凝土相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅具有承載力高、剛度大、抗震性能好、延性好、防火性能高的普通型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且可以有效地減小構(gòu)件的截面，增大使用空間，減小結(jié)構(gòu)自重，增加房屋高度和增大跨度，提高單位面積的承載力和經(jīng)濟(jì)效益，得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)從50年代開(kāi)始從前蘇聯(lián)引進(jìn)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，主要是空腹式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且不加鋼筋和鋼箍，應(yīng)用限于少數(shù)工業(yè)廠(chǎng)房和特殊結(jié)構(gòu)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)開(kāi)始系統(tǒng)地研究型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。西安建筑科技大學(xué)組合結(jié)構(gòu)研究室從1984年開(kāi)始進(jìn)行了一系列試驗(yàn)與理論研究，并于1989年編寫(xiě)了《勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議與條文說(shuō)明》；1986年國(guó)家計(jì)委工程建設(shè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范重點(diǎn)科研項(xiàng)目“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范第四批科研課題”中列入了“型鋼混凝土結(jié)構(gòu)性能及設(shè)計(jì)方法”研究課題并成立了研究課題組，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，研究成果于1991年通過(guò)了建設(shè)部鑒定；冶金工業(yè)部1998年頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，此規(guī)程基本上沿用了日本《標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)方法；2001年，我國(guó)第一部《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138-2001)頒布執(zhí)行。

　　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有廣闊的使用范圍以及發(fā)展前景。從結(jié)構(gòu)形式方面來(lái)講，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)適用于框架結(jié)構(gòu)、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)、底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)、框架－核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。從型鋼混凝土構(gòu)件的應(yīng)用范圍來(lái)講，在多層、高層建筑、橋梁等構(gòu)筑物中，可以是全部構(gòu)件或部分構(gòu)件，也可以是幾層或局部。從抗震角度上來(lái)講，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)適用于非地震區(qū)和抗震設(shè)防烈度為6度到9度的一般構(gòu)筑物、多層、高層和超高層建筑。

　　2型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　采用型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，可利用鋼材良好的變形性能來(lái)克服高強(qiáng)混凝土抗震性能較差的缺陷。由于高強(qiáng)混凝土不易離析，水泥漿和鋼材的界面粘結(jié)性能好，因此高強(qiáng)混凝土和鋼材的粘結(jié)強(qiáng)度高于普通混凝土和鋼材的粘結(jié)強(qiáng)度，故可提高混凝土和型鋼的協(xié)同工作能力。與其它結(jié)構(gòu)形式相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)[2]：

　�、賁RHC結(jié)構(gòu)是一種介于鋼筋高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間的組合結(jié)構(gòu)，其變形能力具有鋼結(jié)構(gòu)的一些特征，延性較好，抗震能力明顯高于鋼筋高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)；

　�、谂c鋼筋高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，SRHC結(jié)構(gòu)內(nèi)埋型鋼與外圍箍筋一起對(duì)混凝土形成良好約束作用，改善了高強(qiáng)混凝土的受力狀態(tài)，充分發(fā)揮其強(qiáng)度高的特性。同時(shí)，克服了鋼筋高強(qiáng)混凝土變形小，延性差的不足，具有良好的抗震性能。

　�、叟c鋼結(jié)構(gòu)相比，SRHC結(jié)構(gòu)中型鋼的混凝土保護(hù)層對(duì)內(nèi)部型鋼可以起保護(hù)作用，解決了鋼結(jié)構(gòu)防火難、易腐蝕的問(wèn)題。同時(shí)，SRHC結(jié)構(gòu)克服了鋼結(jié)構(gòu)受壓失穩(wěn)的弱點(diǎn)。SRHC結(jié)構(gòu)承載力更高，與鋼結(jié)構(gòu)相比更能夠達(dá)到節(jié)約鋼材的目的，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　④除了具有普通型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)以外，SRHC構(gòu)件不但發(fā)揮了型鋼的骨架作用，還可以發(fā)揮高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度高的特性，從而進(jìn)一步減小構(gòu)件截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，增加使用面積或有效空間，減輕基礎(chǔ)、地基的負(fù)擔(dān)，尤其適用于超高層建筑。由于高強(qiáng)混凝土具有早強(qiáng)性，SRHC結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中，可加快施工進(jìn)度，縮短工期。由于高強(qiáng)混凝土材料密實(shí)，耐久性好，SRHC結(jié)構(gòu)能夠更好的應(yīng)用于抗?jié)B、抗凍要求高或者具有腐蝕性的環(huán)境，尤其是基礎(chǔ)工程。

　　由于高強(qiáng)混土與普通混凝土的差異性，使得SRHC結(jié)構(gòu)與SRC結(jié)構(gòu)的抗震性能、計(jì)算方法等方面均存在差異，因而需要對(duì)SRHC結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。隨著現(xiàn)代建筑對(duì)結(jié)構(gòu)要求的不斷提高，SRHC結(jié)構(gòu)將有著廣泛的發(fā)展應(yīng)用前景，因此對(duì)SRHC結(jié)構(gòu)的研究也必將受到越來(lái)越多的重視[7]。

　　3材料的力學(xué)性能

　　3.1高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能

　　隨著混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土材料的固相本質(zhì)發(fā)生變化，界面消失。此外，混凝土內(nèi)部的孔隙體積率均明顯減小。與普通混凝土相比高強(qiáng)混凝土中水泥膠凝體強(qiáng)度、骨料強(qiáng)度以及界面強(qiáng)度三者之間的差異縮小，并且混凝土強(qiáng)度越高，這種差異越小�；炷�土材質(zhì)的變化導(dǎo)致材料力學(xué)性能的改變[3]。

　　在原材料和配合比設(shè)計(jì)方面，適用于型鋼混凝土的高強(qiáng)混凝土與普通混凝土有很大的區(qū)別。普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)以抗壓強(qiáng)度為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，其基本組成為水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水。而且普通混凝土對(duì)骨料強(qiáng)度的要求也不是很高，因?yàn)楣橇显诨炷�土破壞時(shí)還比較完好，混凝土的破壞是出現(xiàn)在骨料與凝膠體的界面上。而適用于型鋼混凝土的高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)考慮的因素是多方面的，其中包括強(qiáng)度、流動(dòng)性、耐久性。總體來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)混凝土在原材料和配合比上與普通混凝土主要有兩點(diǎn)不同，即低水灰比和多組分。這樣的高強(qiáng)混凝土一般被稱(chēng)為六組份混凝土，即水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水、活性礦物摻合料以及高效外加劑，其中使用新型高效減水劑和活性礦物摻合料是最重要的技術(shù)手段。

　　為了使混凝土具有高強(qiáng)度，水與膠凝材料總量（包括水泥和礦物摻合料）之比，即水膠比通常在0.3～0.4之間[4~5]；由于高強(qiáng)混凝土的水膠比小，要想配制的混凝土拌和物具有施工所需的流動(dòng)性（一般用塌落度作為參數(shù)來(lái)衡量），必須添加一定數(shù)量的化學(xué)外加劑，如高效減水劑、緩凝劑等。

　　3.2栓釘?shù)牧�學(xué)性能

　　栓釘是目前最常用的抗剪連接件�？辜暨B接件的形式很多，按照變形能力可分為剛性連接件和柔性連接件兩大類(lèi)。剛性連接件包括方鋼、T形鋼、馬蹄型鋼等連接件，而栓釘、彎筋、槽鋼、角鋼、L型鋼、錨環(huán)、摩擦型連接的高強(qiáng)螺栓等則屬于柔性抗剪連接件。剛性連接件通常用于不考慮剪力重分布的結(jié)構(gòu)（如橋梁結(jié)構(gòu)），而柔性連接件則廣泛應(yīng)用于一般房屋建筑中。柔性連接件比剛性連接件的剛度小，而變形能力較大。兩類(lèi)連接件除剛度有明顯的區(qū)別之外，破壞形態(tài)也不一樣。剛性連接件容易在周?chē)�的混凝土�?nèi)引起較高的應(yīng)力集中，導(dǎo)致混凝土發(fā)生壓碎或剪切破壞，甚至在連接件與鋼梁間的焊接處發(fā)生破壞。而柔性連接件的剛度較小，作用在接觸面上的剪力會(huì)使其發(fā)生變形，當(dāng)混凝土板與鋼梁之間產(chǎn)生一定的滑移時(shí)，其抗剪承載力則不會(huì)降低[6]。