UHPC-混凝土組合柱研究綜述

王 靜 王 洋 張?jiān)讫?/p>

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 長春 130118）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到涉及大跨、高聳、重載等工程環(huán)境，對(duì)建筑材料和部件的要求越來越高。作為建筑物中最重要的支撐構(gòu)件，結(jié)構(gòu)柱必須具有非凡的承載能力和變形能力，良好的耐火性能，既滿足現(xiàn)代建筑技術(shù)的工業(yè)要求，也滿足苛刻環(huán)境條件下的應(yīng)用[1]。在組合柱的研究方面，超高性能混凝土（Ultra high performance concrete，簡稱 UHPC）和約束混凝土柱無疑是最為突出的發(fā)展方向。

1 超高性能混凝土的研究

超高性能混凝土，簡稱UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，在過去的幾十年，不僅實(shí)現(xiàn)工程材料性能的大跨越，也為工程結(jié)構(gòu)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。

UHPC材料已經(jīng)具有良好的施工性能，并且也可以實(shí)現(xiàn)自密實(shí)，常溫養(yǎng)護(hù)，已經(jīng)具備工程推廣的條件。鋼纖維 UHPC的性能類似于鋼。UHPC還具備許多優(yōu)越特性：較高的抗裂性，密封性，抗凍性強(qiáng)，耐堿性，韌性好，抗沖擊性優(yōu)異等，對(duì)于各種工程需要都能給與滿足。使用 UHPC作為建筑材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：增加構(gòu)件承載力，從根本上減少了構(gòu)件大尺寸的缺點(diǎn)，卻能獲得同樣的力學(xué)性能；減小結(jié)構(gòu)的自重，運(yùn)輸?shù)跹b方面十分方便的同時(shí)，外形也更加美觀。UHPC不僅加強(qiáng)構(gòu)件抗疲勞性，也增加構(gòu)件抵御腐蝕性介質(zhì)侵蝕、凍融破壞、和其他混凝土常見的老化行為能力，大大減少了混凝土結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)費(fèi)用。

2 鋼管混凝土研究

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)利用鋼管和混凝土兩種材料材料相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，利用了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的超性能發(fā)揮。自問世以來，各國科研人員取得了豐碩的成果。包括歐洲EC4(1996)、德國DIN18806(1997)、美 國 ACI319-89(1999)、SSLC(1979)、LRFD(1994)以及日本AIJ(1997)等。

我國雖然在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)上的研究較其他國家起步較晚，但是目前處于國際先進(jìn)水平，尤其以鐘善桐先生和蔡紹懷先生為代表，譚克峰、吳文平等科研人員，他們對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與研究，并為中國的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究提供了一整套理論[2-5]。1966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于北京地鐵工程，隨著越來越多的工程應(yīng)用，逐漸取得了卓有成效的效果。

3 UHPC-混凝土組合柱研究

UHPC-混凝土組合柱是基于鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的新型改進(jìn)形式，充分發(fā)揮UHPC材料特性及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特性，具有以下優(yōu)點(diǎn)：UHPC預(yù)制管由于其材料而具有超高承載能力，對(duì)于組合柱的垂直載荷具有共同承載的能力。UHPC材料抗拉性能，導(dǎo)致預(yù)制管對(duì)內(nèi)部混凝土橫向位移變形進(jìn)行限制，并提供有效的橫向約束。UHPC預(yù)制管作為普通混凝土的外層，承擔(dān)了模板的作用，有效節(jié)約資源，方便施工。UHPC防火耐熱耐腐蝕性能較鋼管混凝土在后期維護(hù)上有巨大優(yōu)勢，適合各種復(fù)雜環(huán)境。UHPC-混凝土組合柱不僅降低了UHPC材料的成本，而且具有良好的安全性，經(jīng)濟(jì)性和耐用性，也是一種超高性能結(jié)構(gòu)柱。并且 UHPC由于本身屬于混凝土材料的一種，通過試驗(yàn)證得兩者泊松比相近，所以UHPC-混凝土組合柱的結(jié)合要好于鋼管和混凝土。

國外學(xué)者 C.Beschi[2]使用 UHPC對(duì)鋼筋混凝土梁、柱的抗震加固技術(shù)進(jìn)行了大量研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，加固以后的結(jié)構(gòu)，在承載力和延性等方面有效提高。朱健[3]等利用UHPC強(qiáng)度等級(jí)作為影響因素，研究其高強(qiáng)混凝土偏壓柱破壞形態(tài)及受力特點(diǎn)，并分析 UHPC縱向應(yīng)變及內(nèi)部箍筋應(yīng)變，撓度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)證明，UHPC對(duì)承載能力的提高明顯，對(duì)于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)下的裂紋控制有著更優(yōu)的效果。

4 有待進(jìn)一步研究的問題

UHPC-混凝土組合柱取得了一定的進(jìn)展，但是有些研究必須需要進(jìn)一步開展。

（1）將 UHPC-混凝土組合柱這一新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行推廣應(yīng)用到工程領(lǐng)域，需對(duì)其各項(xiàng)力學(xué)性能、變形能力、破壞機(jī)理等方面進(jìn)行探索研究，組合柱的軸心受壓試驗(yàn)最簡單也是最基本的試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行研究，具有非常重要的研究意義。

（2）由于 UHPC-混凝土組合柱作為一種新的結(jié)構(gòu)形式，其承載能力公式并沒有正式統(tǒng)一的說明，根據(jù)不同的 UHPC預(yù)制管的壁厚、箍筋配筋率、以及核心混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

（3）UHPC-混凝土組合柱的應(yīng)用場景非常廣泛，抗震性能是結(jié)構(gòu)柱抵抗地震波能力的體現(xiàn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全可靠使用有著非常重要的意義。所以有必要對(duì)UHPC-混凝土組合柱抗震方面進(jìn)行性能驗(yàn)證。