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    型钢高强混凝土的应用和发展.pdf

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    型钢高强混凝土的应用和发展.pdf

    重庆建筑 Chongqing Architecture doi 10.3969.issn.1671-9107.2012.10.056 型钢高强混凝土的应用和发展 Application and Development of Steel Reinforced Hi曲-strength Concrete 欧阳光 2。黄宾s。秦红军 。秦如心 . 1重庆大学土木工程学院,重庆400045 2重庆建工集团总承包公司,重庆401122;3四川省宜宾市建 设工程质量安全监督站,四川宜宾644000;4重庆市兴隆建设工程监理有限公司,重庆400011 摘要随着现代社会的高速发展。高层建筑不断增加,各种复杂的建筑结构和异性结构也日益增多,重栽、大跨、高耸是现代建筑的发展趋势,因 此框架柱承受的轴向荷栽也越来越大。型钢高强混凝土结构是一种新型的结构形式,它将型钢和混凝土结构有机地结合在一起,两者“优势互 补”.结构构件的延性塑性变形能力将会得到显著改善,建筑结构的整体抗震性能抵抗地震的能力也将得到明显提高。同时,该结构体系的 正确选用,既可减轻建筑结构自身重量,还可节约钢材用量,社会效益、环境效益、经济效益等综合效益将得以凸显。因此型钢和高强混凝土的结 合相得益彰.堪称完美.该结构体系必将有着更加广泛的应用和发展前景。 关键词型钢高强混凝土;型钢混凝土;高强混凝土;结构延性;抗震性能 中图分类号TU377 文献标识码A 文章编号1671-9107201210-0056-04 AbstractWi廿1 the rapid development of modem society,high-rise buildings,al0ng with various complex structures and aniso.tropic structures are in- creasingly established.Heavy load,large span and high-rise are the developmental trend ofmodern buildings.Therefore,the axial load of flame columns is also growing.Steel reinforced high-strength concrete,a new structural ,combines steel and concrete organically,significantly improving the duc tility and seismic perance of the structure.Furthermore.the proper application of steel reinforced highstrength concrete Can not only reduce the structural weight,but also saves stee1.Thus economic benefits,environmental benefits and social benefits ale gained.So steel reinforced highstrength concrete should be widely applied in future. Key wordssteel reinforced high-strength concrete;steel reinforced concrete;highstrength concrete;structural ductility;seismic behaviour 0引言 近年来,我国高层建筑的建筑规模渐居世界前列【1]。建筑 高度的不断增加,体型和结构形式的日趋复杂,重载、大跨、高 耸的发展趋势,使框架柱承受的轴向荷载也越来越大。 延性是结构抗震性能的一个重要指标.在抗震设计中必 须保证结构有足够的延性。我国建筑结构设计规范 规定了 框架柱轴压比限值,在柱子轴向力不断增大的情况下.框架柱 的截面面积也随之不断增大.使用空间不断减小.使用功能也 将受到不同程度的影响。同时,从抗震性能方面进行分析研 究,在这种情况下,框架柱极易形成短柱,对抗震不利。因此普 通的钢筋混凝土结构已不满足现代建筑的发展要求。 高强混凝土框架柱可以在一定程度上减小框架柱的截面 尺寸,但在高轴压比的情况下具有延性差、脆性高的特点,因 此在高烈度地震设防区的应用受到限制。 型钢高强混凝土结构是一个组合结构。型钢可改善结构 延性,提高抗震性能,高强混凝土可减小构件截面尺寸。由于 其发挥了型钢和高强混凝土各自的优势.从而具有良好的延 性和较高的承载力。因此特别适用于地震区的高层建筑抗震 收稿日期2012.06.13 作者简介欧阳光1979一,男,熏庆开县人,工学硕士,一级注册建造 师,工程师,主要从事建筑工程项目管理。 设计。 1高强混凝土的特点及应用 高强混凝土采用常规的生产工艺,以水泥、砂、石、水作为 原材料,以活性矿物材料或外加剂为掺和料,通过均匀搅拌形 成拌合物,在浇筑成型后,采取保温、保湿等措施,通过不断的 养护,硬化后形成具有高强特征的水泥混凝土。 根据强度等级进行划分,并结合我国工程建设的实际情 况,C50及C50以上的混凝土一般定义为高强混凝土。世界各 国对高强混凝土的强度等级也进行了类似的定义.如美国 ACI、日本、欧洲CEBFIPMC90等国的混凝土规范,对 高强混凝土的定义范围,与我国的定义标准大体一致。 高强混凝土High Strength Concrete,HSC具有高强特 性,同时也具有普通混凝土所不具有的一些特点如抗压强度 高、持久强度系数高、徐变系数小,抗渗、耐磨、抗腐蚀,特别适 用于荷载大的建筑结构和恶劣的气候环境。因此,高强混凝土 必将在桥梁和建筑结构中得到更加广泛的应用.必将会成为 21世纪现代建筑重要的材料之一[7-10] 美国、澳大利亚、加拿大、德国和日本等国,都对高强混凝 土进行了系统的试验研究和理论分析.在实际工程应用方面, 都取得了不菲的成果。特别是美国,不管是在高强混凝土的研 发方面,还是在工程应用方面,其科技实力和技术水平都居世 界领先地位【 ”。 2012.NO.10第1 1卷总第108期 型钢高强混凝土的应用和发展 建筑材料57 1965年,位于美国芝加哥的湖心大厦,总高70层,下层柱 设计采用强度等级为C65的高强混凝土.是最早应用高强混凝 土的高层建筑芝加哥广场大厦于1975年建成,总高262m,79 层,从地下室到第25层柱混凝土相当于C70的高强混凝土而 在1988年和1989年建造的太平洋第一中心大厦和西雅图双联 大厦是世界上高强混凝土强度等级使用最高的,强度等级高 达C135,其结构形式均采用钢管混凝土柱【l2】。 多伦多的蒙特利尔银行大厦是加拿大最高的钢筋混凝土 房屋建筑,建筑面积22.9万m2,69层,建筑总高度为275m,底层 框架采用强度等级约为C80的高强混凝土 法兰克福有欧洲最高的钢筋混凝土结构建筑,该建筑总 高度为186m,底层框架柱使用的高强混凝土等级约为C80。 由于日本特殊的地理位置 多地震是日本必须面对的地 质灾害之一。因此,钢筋混凝土高层建筑的建造在E1本曾经受 到严格的限制。但随着科学技术的不断成熟和进步,近年来, 限制条件有逐步放松的趋势,高层建筑有逐渐发展的势头。如 日本建筑中心高层建筑评定委员会在1989年、1990年、1991年 这三年间,进行审查的高层建筑数量呈逐步增加的态势。1989 年审查的建筑数量为8栋.而在1990年审查的建筑数量为14 栋,较1989年增H75%1991年审查数量为22栋,较上年增加 57%。混凝土强度等级最高一般为C60。现在,超高强混凝土超 高层建筑的技术研究和理论分析在日本国内受到普遍重视, 日本为此投人了大量的人力、财力、物力及各种所需资源。有 的试验高强混凝土强度等级高达C120C150o2]。 上世纪7O年代,我国对HSC的研究工作才处于起步阶段。 清华大学土木工程系通过不断的试验分析和理论总结.抗压 强度为100 N/mm2的高强混凝土得以研制成功。并结合工程实 际.通过各方共同努力,成功的施工出了抗压强度为80N/ram2 的高强混凝土【l3】上世纪80年代,重庆大学B区原重庆建筑大 学的蒲心诚教授,通过不断试验、分析和总结,采用碱矿渣混 凝土技术研制出了28d抗压强度为117.0 N/ram2的高强混凝土 【 o 高强混凝土在我国也得到了广泛应用。北京、广东等地都 有HSC高层建筑。我国最早应用高强混凝土施工技术的超高层 建筑是北京新世纪饭店和广州国际大厦。北京新世纪饭店,建 筑总高度为l10m,共31层。10层以下柱混凝土强度等级设计为 C60,而28d的实际混凝土强度已达到了设计值,甚至已超过了 C70位于广东省的广州国际大厦,建筑总高度为200m,屋顶停 机坪采用C60的高强混凝土 高强混凝土在我国也得到了一定的发展.在北京、上海、 重庆、广东等地,新建的高强混凝土建筑不断出现,数量越来 越多,规模也越来越大。但是,由于起步较晚,发展较为缓慢, 总体来说,我国对高强混凝土的使用还不够普遍,强度等级也 不够高 高强混凝土虽然具有高强的特性,能有效减小结构构件 的截面尺寸,对使用功能有利,但是也有很多不足之处 1对原材料的选择、生产环节、运输过程、施工工艺等方 面的要求高。合格的水泥、骨料、外加剂是质量的首要保证 其 次是生产、运输、施工的所有环节都要仔细计划和认真检查。 任何一个环节都不能出现问题,否则质量将得不到保证。 2高强混凝土结构的计算模型,如果采用普通混凝土的 计算模型和结构理论 那么高强混凝土结构的安全度会降低 结构的安全性将得不到保证[15】。通过多次试验证明,高强与普 通混凝土的受压应力应变曲线显著不同,差别很大。较低强度 的普通混凝土与高强混凝土的试验基础就不一致.普通混凝 土的构件计算公式是否适用于高强混凝土 也只有进行试验 研究才能得出结论。 3延性差。一般来说,高强混凝土强度高,脆性大,塑性 变形小,延性低。为了增加结构延性,除了加强建筑的构造措 施.选用型钢高强混凝土的结构体系也是一个很好的解决办 法。 4高强混凝土,特别是C70以上的高强混凝土,随着混凝 土抗压强度的提高,抗拉、抗剪强度与抗压强度的比值会随之 降低,脆性显著增大,延性也会越来越差,不利于结构抗震。 总体来说,高强混凝土的应用是目前的发展趋势。但为了 克服固有的延性差的缺点.同时又能充分发挥其抗压高强的 优势,必须建立一个新的结构体系。因此,型钢高强混凝土结 构体系就有了存在的基础和发展的前提.其发展可谓是水到 渠成,时代所需。 2型钢高强混凝土的特点、应用及发展 型钢混凝土组合结构Steel Reinforce Concrete Composite Structures,SRC是指在混凝土结构内配置型钢轧制或焊接成 型和钢筋主筋和箍筋的结构体系【l司。 该结构体系配置的型钢主要有两种形式,一种是实腹式 型钢。一种是格构式的钢构件。 由于型钢的存在。型钢与混凝土各尽所长、取长补短,大 大的改善了结构构件的延性,使结构的抗震能力得到很大程 度的提高。SRC框架柱主要截面形式见图1。 画画 a空腹式型钢混凝土柱 画 b实腹式型钢混凝土柱 图1 SRC框架柱主要截面形式图 重庆建筑 Chongqing Architecture 日本从1920年就开始对SRC结构进行试验研究,属于较早 研究应用SRC结构的国家之一。日本早期典型的全SRC结构当 数1923年建成的兴业银行。 日本于1950年颁布的建筑基本法,用行政法律的形式明 确了6层以上的建筑物须采用SRC结构。其后,多次调整采用 SRC结构的楼层范围。1953年调整为7层以上,1970年又调整为 8层以上。 日本采用SRC结构的建筑物数量及建筑面积增长迅速。根 据1985年的统计数据表明,采用SRC结构的建筑面积与建筑总 面积的比率已经超过了50%,达到62.8%;高层建筑中10.15 层。SRC结构建筑物数量与建筑物总数量的比率更是高达 90%左右 。欧美等国家于上世纪初开始对型钢混凝土结构进 行了系统的研究和工程实际运用。1908年,Burr对空腹式型钢 混凝土柱进行多次的试验研究,并进行不断的分析和总结。研 究表明.型钢外包钢筋混凝土结构能提高整个柱子的强度和 刚度。此后,加拿大、美国、英国的学者也进行了大量的试验研 究。 我国运用型钢混凝土的历史,应该追溯到上世纪5O年代。 当时主要依据的是前苏联型钢混凝土结构设计计算方法,工 业厂房的构件开始局部采用型钢混凝土结构。 上世纪8O年代.我国开始对型钢混凝土结构进行系统研 究。此后,型钢混凝土结构的应用也逐步由厂房向高层、超高 层建筑发展。 上海瑞金大厦28层、北京长富饭店27层、北京香格里拉 饭店f24层等高层建筑是国内应用型钢混凝土的典型。 型钢高强混凝土结构Steel Hi曲一Strength Reinforced Concrete,HSRC是指在型钢周围配置构造钢筋主筋和箍筋 并浇筑高强混凝土的组合结构。是型钢与高强混凝土密切联 系、紧密结合的产物。 分析其受力特性,高强混凝本身具有很高的抗压强度,但 抗拉强度低,且脆性大,塑性变形小,延性低,抗震性能差。型 钢本身具有抗拉、抗压强度高和延性好的特点,将型钢放置到 高强混凝土构件中,对改善结构构件的延性有重要作用.能显 著提高结构的抗震性能。同时,型钢和高强混凝土优势能各尽 所长,使钢材用量得以节约,结构自重得以减轻,从而取得良 好的综合效益 高强混凝土具有高强、不易离析的特点,界面钢材和水 泥浆接触面粘结性能好,握裹力大,因此型钢和高强混凝土 结合更加紧密,有很好的协同工作能力。其优点表现在如下方 面. 1HSRC结构实际上是高强混凝土和钢结构的组合结构。 内置型钢具有良好的变形性能和抗拉强度,能有效弥补高强 混凝土脆性大、延性差的固有缺陷。同时,高强混凝土发挥抗 压高强的优点。因此,综合抗震能力强是HSRC结构最显著的 特点。 2与钢结构相比,HSRC结构克服了普通钢结构的不足和 缺陷。普通钢结构存在防火难、易腐蚀的缺陷,型钢外包钢筋 混凝土结构,可起到保护层的作用,能有效地解决这个问题 普通钢结构易于受压失稳,HSRC结构能提高整体稳定系数, 解决受压失稳的问题HSRC结构的承载力更高,可以节约钢 材,成本可控。 3与高强混凝土结构相比,HSRC结构抗震性能良好。高 强混凝土的缺点。如抗拉强度低,且脆性大,塑性变形小,延性 低,抗震性能差,在采用HSRC结构后,都能得到有效的解决。 4与普通型钢混凝土相比,HSRC结构更具优势,特别适 用于超高层建筑。HSRC结构内置型钢起固定和强大的骨架支 撑作用.高强混凝土能承受比普通混凝土更大的上部荷载,因 此更适用于重载、大跨、高耸的现代超高层建筑。 5高强混凝土具有密实度高的特点,抗冻、抗腐蚀、抗 渗.耐久性好,因此HSRC结构适用于各种恶劣的环境和条件。 6HSRC结构在施工过程中,由于高强混凝土具有早强 的特点,进度能够得到保障,从而保证工期。 随着建筑业的迅速发展,我国钢产量逐年提高,型钢混凝 土结构的发展面临着发展机遇和时代挑战。目前,在北京、上 海、广州、深圳等地,型钢混凝土结构得到了广泛的工程应用。 所采用的高强混凝土的强度等级都在不断的提高,如中国国 际贸易中心、中国大饭店、北京新世纪大厦,上海的瑞金大厦 和天目广场等.深圳的发展中心大厦和鸿昌大厦,其下部结构 的型钢混凝土柱普遍采用C60及以上的高强混凝土。 国家建设部于2002年颁发了中华人民共和国行业标准 型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138--2001、J1302001, 以此来规范型钢混凝土行业的发展。在该技术规程中,高强混 凝土的最高等级为C60,而对于C60以上的高强混凝土,无任何 具体的技术阐述、规定和说日月【 。在规程后面的条文说明中,由 于对C70以上的型钢混凝土组合结构的研究不足,对其信息掌 握有限,因此,C70C80的高强混凝土,必须通过充分的实验 研究,有可靠的研究成果做技术支撑,方可使用。而对于C80以 上的高强混凝土则未作考虑。 HSRC除了上述的优点外也一些不足.主要表现在以下几 个方面 1施工工艺十分复杂,施工质量要求特别高。 2型钢混凝土特别是型钢高强混凝土结构的受力机理还 不十分明确,设计及计算理论也有待进一步完善。 3型钢高强混凝土结构造价较高,推广范围有限,不便于 大范围推广,特别是推广到普通住宅有很大的局限性。 3结论

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