型钢高强混凝土结构的思考

　　摘要：越来越多的高层建筑都采用了型钢高强混凝土结构。这种结构形式可以更好的发挥型钢、高强混凝土的性能。型钢高强混凝土柱作为受力的主要构件，受力复杂，影响因素多，而要研究各参数对柱抗震性能的影响，需要进行大量的试验，劳动量和资金投入都很大。如果采用有限元计算机辅助分析的方法，可以很好的解决问题。
　　关键词：型钢高强混凝土结构；高强混凝土；栓钉；有限元分析
　　1引言
　　随着社会经济和技术水平的不断发展和人们对物质文化生活要求的日益提高，传统的钢筋混凝土结构已渐渐不能满足现代建筑的要求，建筑的高度、跨度、强度面临着新挑战。而型钢混凝土结构，是在钢筋混凝土中配置型钢的一种组合结构，渐渐成为现代结构发展的一个新趋势。型钢高强混凝土结构是钢与高强混凝土相结合的产物，不仅具有承载力高、刚度大、抗震性能好、延性好、防火性能高的普通型钢混凝土结构的优点，而且可以有效地减小构件的截面，增大使用空间，减小结构自重，增加房屋高度和增大跨度，提高单位面积的承载力和经济效益，得到了较为广泛的应用[1]。我国从50年代开始从前苏联引进型钢混凝土结构，主要是空腹式钢筋混凝土结构，而且不加钢筋和钢箍，应用限于少数工业厂房和特殊结构。进入20世纪80年代后，随着经济的发展，我国开始系统地研究型钢混凝土结构。西安建筑科技大学组合结构研究室从1984年开始进行了一系列试验与理论研究，并于1989年编写了《劲性钢筋混凝土结构设计建议与条文说明》；1986年国家计委工程建设国家标准规范重点科研项目“混凝土结构设计规范第四批科研课题”中列入了“型钢混凝土结构性能及设计方法”研究课题并成立了研究课题组，进行了一系列的试验研究，研究成果于1991年通过了建设部鉴定；冶金工业部1998年颁布了行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》，此规程基本上沿用了日本《标准》的设计方法；2001年，我国第一部《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ138-2001)颁布执行。
　　型钢混凝土结构具有广阔的使用范围以及发展前景。从结构形式方面来讲，型钢混凝土结构适用于框架结构、框架－剪力墙结构、底层大空间剪力墙结构、框架－核心筒结构、筒中筒结构等结构体系。从型钢混凝土构件的应用范围来讲，在多层、高层建筑、桥梁等构筑物中，可以是全部构件或部分构件，也可以是几层或局部。从抗震角度上来讲，型钢混凝土结构适用于非地震区和抗震设防烈度为6度到9度的一般构筑物、多层、高层和超高层建筑。
　　2型钢高强混凝土结构的特点
　　采用型钢高强混凝土结构，可利用钢材良好的变形性能来克服高强混凝土抗震性能较差的缺陷。由于高强混凝土不易离析，水泥浆和钢材的界面粘结性能好，因此高强混凝土和钢材的粘结强度高于普通混凝土和钢材的粘结强度，故可提高混凝土和型钢的协同工作能力。与其它结构形式相比，具有以下明显优点[2]：
　　①SRHC结构是一种介于钢筋高强混凝土结构与钢结构之间的组合结构，其变形能力具有钢结构的一些特征，延性较好，抗震能力明显高于钢筋高强混凝土结构；
　　②与钢筋高强混凝土结构相比，SRHC结构内埋型钢与外围箍筋一起对混凝土形成良好约束作用，改善了高强混凝土的受力状态，充分发挥其强度高的特性。同时，克服了钢筋高强混凝土变形小，延性差的不足，具有良好的抗震性能。
　　③与钢结构相比，SRHC结构中型钢的混凝土保护层对内部型钢可以起保护作用，解决了钢结构防火难、易腐蚀的问题。同时，SRHC结构克服了钢结构受压失稳的弱点。SRHC结构承载力更高，与钢结构相比更能够达到节约钢材的目的，具有显著的经济效益。
　　④除了具有普通型钢混凝土结构的优点以外，SRHC构件不但发挥了型钢的骨架作用，还可以发挥高强混凝土强度高的特性，从而进一步减小构件截面尺寸，降低结构自重，增加使用面积或有效空间，减轻基础、地基的负担，尤其适用于超高层建筑。由于高强混凝土具有早强性，SRHC结构在施工过程中，可加快施工进度，缩短工期。由于高强混凝土材料密实，耐久性好，SRHC结构能够更好的应用于抗渗、抗冻要求高或者具有腐蚀性的环境，尤其是基础工程。
　　由于高强混土与普通混凝土的差异性，使得SRHC结构与SRC结构的抗震性能、计算方法等方面均存在差异，因而需要对SRHC结构进行研究。随着现代建筑对结构要求的不断提高，SRHC结构将有着广泛的发展应用前景，因此对SRHC结构的研究也必将受到越来越多的重视[7]。
　　3材料的力学性能
　　3.1高强混凝土的力学性能
　　随着混凝土强度的提高，混凝土材料的固相本质发生变化，界面消失。此外，混凝土内部的孔隙体积率均明显减小。与普通混凝土相比高强混凝土中水泥胶凝体强度、骨料强度以及界面强度三者之间的差异缩小，并且混凝土强度越高，这种差异越小。混凝土材质的变化导致材料力学性能的改变[3]。
　　在原材料和配合比设计方面，适用于型钢混凝土的高强混凝土与普通混凝土有很大的区别。普通混凝土的配合比设计以抗压强度为主要设计指标，其基本组成为水泥、粗骨料、细骨料、水。而且普通混凝土对骨料强度的要求也不是很高，因为骨料在混凝土破坏时还比较完好，混凝土的破坏是出现在骨料与凝胶体的界面上。而适用于型钢混凝土的高强混凝土配合比设计考虑的因素是多方面的，其中包括强度、流动性、耐久性。总体来说，高强混凝土在原材料和配合比上与普通混凝土主要有两点不同，即低水灰比和多组分。这样的高强混凝土一般被称为六组份混凝土，即水泥、粗骨料、细骨料、水、活性矿物掺合料以及高效外加剂，其中使用新型高效减水剂和活性矿物掺合料是最重要的技术手段。
　　为了使混凝土具有高强度，水与胶凝材料总量（包括水泥和矿物掺合料）之比，即水胶比通常在0.3～0.4之间[4~5]；由于高强混凝土的水胶比小，要想配制的混凝土拌和物具有施工所需的流动性（一般用塌落度作为参数来衡量），必须添加一定数量的化学外加剂，如高效减水剂、缓凝剂等。
　　3.2栓钉的力学性能
　　栓钉是目前最常用的抗剪连接件。抗剪连接件的形式很多，按照变形能力可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。刚性连接件包括方钢、T形钢、马蹄型钢等连接件，而栓钉、弯筋、槽钢、角钢、L型钢、锚环、摩擦型连接的高强螺栓等则属于柔性抗剪连接件。刚性连接件通常用于不考虑剪力重分布的结构（如桥梁结构），而柔性连接件则广泛应用于一般房屋建筑中。柔性连接件比刚性连接件的刚度小，而变形能力较大。两类连接件除刚度有明显的区别之外，破坏形态也不一样。刚性连接件容易在周围的混凝土内引起较高的应力集中，导致混凝土发生压碎或剪切破坏，甚至在连接件与钢梁间的焊接处发生破坏。而柔性连接件的刚度较小，作用在接触面上的剪力会使其发生变形，当混凝土板与钢梁之间产生一定的滑移时，其抗剪承载力则不会降低[6]。

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