型钢高强混凝土的应用和发展.pdf

重庆建筑 Cho n g q i n g Ar c h i t e c t u r e d o i 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 1 - 9 1 0 7 2 0 1 2 1 0 0 5 6 型钢高强混凝土的应用和发展 A p p l i c a t i o n a n d D e v e l o p me n t o f S t e e l R e i n f o r c e d Hi 曲- s t r e n g t h C o n c r e t e 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 4 0 0 0 4 5 2重庆建工集 团总承包公司 ， 重庆 4 0 1 1 2 2； 3四川省宜宾市建 设工程 质量安全监督站 ， 四川宜宾 6 4 4 0 0 0； 4重庆市兴隆建设工程监理 有限公 司， 重庆 4 0 0 0 1 1 ) 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： T U3 7 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 - 9 1 0 7 ( 2 0 1 2 ) 1 0 - 0 0 5 6 - 0 4 Ab s t r a c t ：Wi 廿 1 t h e r a pi d d e ve l o p me n t o f mo d e m s o c i e t y， h i g h - r i s e b ui l d ing s ， a l 0 n g wi t h v a r i o u s c o mp l e x s t r u c t u r e s a n d a ni s ot r o p i c s t r uc t u r e s a r e i n - c r e a s ing l y e s t a b l i s h e d H e a v y l o a d ， l arg e s p a n and h i gh- ri s e a r e the d e v e l o p me n t a l t r e n d o f mo der n b u i l d ing s T h e r e f o r e ， t h e a x i a l l o a d o f fl a me c o l u mn s i s a l s o g r o wi n g S t e e l r e i n f o r c e d h i g h- s tren g t h c o n c r e t e ， a n e w s t r u c t u r a l f o r m ， c o mb i n e s s t e e l an d c o n c r e t e o r g an i c a l l y , s i g n i fic an t l y i m p r o v i n g t h e d u c t i l i t y and s e i s mi c p e r f o r manc e o f the s t r u c t u r e F u r t h e r mo r e the p r o p e r a p p l i c a t i o n o f s t e e l r e i n f o r c e d h i gh s t r e n g t h c o n c r e t e C an n o t o n l y r e d u c e t h e s t r u c t u r a l we i ght ， b u t al s o s a v e s s t e e 1 T h u s e c o n o mi c b ene fi t s ， e n v i r o n ment a l b e n e fi t s and s o c i a l b e n e f i t s a l e g a i n e d S o s t e e l r e i n f o r c e d h i gh s tr eng t h c o n c r e t e s h o u l d b e wi d e l y a p pl i e d i n f u t u r e K e y w o r d s ： s t e e l r e i n f o r c e d h i gh- s t r e n g t h c o n c r e t e ； s t e e l r e inf o r c e d c o n c r e t e ； h i gh s tr e n g t h c o n c r e t e ； s t r u c t u r a l d u c t i l i ty； s e i s mi c b e h a v i o u r 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 ： 2 0 1 2 0 6 1 3 作者简介 ： 欧阳光 ( 1 9 7 9 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 ， C 5 0 及C 5 0 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 ( AC I ) 、 日本 、 欧 洲 ( C E BF I PMC 9 0 ) 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 ( H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e ， HS C)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 2 1 世纪现 代建 筑重要的材料之一 7 - 1 0 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【 ” 。 2 0 1 2 N O 1 0第1 1 卷总第1 0 8 期 型钢高强混凝土的应用和发展 建筑材料 5 7 1 9 6 5 年 ， 位于美 国芝加哥 的湖 心大厦 ， 总高7 0 层 ， 下层 柱 设计采用强度 等级 为C 6 5 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 1 9 7 5 年建 成 ， 总高2 6 2 m， 7 9 层 ，从地下室到第2 5 层柱混凝 土相当于C7 0 的高强混凝 土 ： 而 在 1 9 8 8 年和 1 9 8 9 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C1 3 5 ， 其结构形式均采用钢管混凝土柱【 l 2 】 。 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2 2 9 万m2 ， 6 9 层 ， 建筑总高度 为2 7 5 m， 底层 框架采用强度等级约为C 8 0 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 1 8 6 m， 底层框架柱使用的高强混凝 土等级约 为C 8 0 。 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 E 1 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 1 9 8 9 年 、 1 9 9 0 年 、 1 9 9 1 年 这三年间 ， 进行审查 的高层建筑数量呈逐步增加的态势。1 9 8 9 年审查 的建筑 数量 为8 栋 而 在 1 9 9 0 年 审查 的建筑数 量为 1 4 栋 ，较 1 9 8 9 年增 H 7 5 ： 1 9 9 1 年审查数量为2 2 栋 ，较 上年增加 5 7 。 混凝土强度等级最高一般为C 6 0 。 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C1 2 0 C 1 5 0 o 2 。 上世纪7 O 年代 ，我国对HS C 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1 0 0 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8 0N ram2 的高强混凝土【 l 3 】 ： 上 世纪 8 0 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2 8 d 抗 压强度 为1 1 7 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HS C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 l 1 0 m， 共3 1 层 。 1 0 层 以下柱 混凝 土强度等级设计为 C 6 0 ， 而2 8 d 的实际混凝土强度 已达到了设计值 ， 甚至已超过 了 C 7 0 ： 位于广东省的广州国际大厦 ， 建筑总高度为2 0 0 m， 屋顶停 机坪采 用C 6 0 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 1 5 】 。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C 7 0 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 ( S t e e l R e i n f o r c e C o n c r e t e C o mp o s i t e S t r u c t u r e s ， S R C) 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。 S R C 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 S R C框架柱主要截面形式图 重庆 建筑 Ch o n g q ing Ar c h i t e c t u r e 日本从 1 9 2 0 年就开始对S R C 结构进行试验研 究 ， 属于较早 研究应用S R C 结构的 国家之一。日本早期典型的全S R C 结构 当 数 1 9 2 3 年建成的兴业银行 。 日本于1 9 5 0 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S R C 结构。其后 ，多次 调整 采用 S R C 结构 的楼层范围。 1 9 5 3 年调整为7 层以上 ， 1 9 7 0 年又调 整为 8 层 以上 。 日本 采用S R C 结构的建 筑物数量及建筑面积增长迅速 。根 据 1 9 8 5 年的统计数据 表明， 采用S R C 结构 的建筑面积与建筑总 面积 的比 率已经超 过了5 0 ，达到6 2 8 ；高层建筑中 ( 1 0 1 5 层 ) 。 S R C结 构建 筑物 数量 与建 筑物 总 数量 的 比率 更是 高达 9 0 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 。1 9 0 8 年 ， B u r r 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5 O 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8 O 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( 2 8 层) 、 北京长富饭店( 2 7 层)、 北京香格里拉 饭店f 2 4 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( S t e e l Hi 曲一S t r e n g t h R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， HS R C) 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 ( 1 ) HS R C 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HS R C 结构最 显著的 特点。 ( 2 ) 与钢结构相 比， HS RC 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 ， HS R C 结 构能提高 整体稳 定系数 ， 解决受压失稳 的问题 ： HS R C 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 ， H S R C 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HS R C 结构后 ， 都能得到有效 的解决。 ( 4 ) 与普通型钢混凝 土相 比 ， HS R C 结构 更具 优势 ， 特别 适 用于超高层建 筑。HS R C 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HS R C结构适用于各种恶劣的环境和条件 。 ( 6 ) HS R C 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C 6 0 及以上的高强混凝土。 国家建 设 部于2 0 0 2 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 ) ( J G J 1 3 8 -2 0 0 1 、 J 1 3 0 2 0 0 1 ) ， 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C 6 0 ， 而对于C 6 0 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C 7 0 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 ， C 7 0 C 8 0 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C 8 0 以 上的高强混凝土 则未作考虑。 HS R C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