新材料下鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

趙新文

（山西建筑工程集團有限公司，山西太原 030032）

1 新型混凝土材料在組合結(jié)構(gòu)中的發(fā)展與應(yīng)用

混凝土材料因應(yīng)用優(yōu)勢突出，在各大工程領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用，但是混凝土材料在發(fā)展及應(yīng)用環(huán)節(jié)也逐漸暴露出一些問題，例如混凝土本身的抗壓能力強，抗拉能力卻并不突出，需與鋼筋配合才能提高構(gòu)件穩(wěn)固性，對于工程建設(shè)來說，施工成本必定因此而上漲。因此，為了從根本上彌補混凝土的不足，逐漸開展了大量的研究工作來增強混凝土強度，部分研究結(jié)果傾向于優(yōu)化混凝土水膠比，或者是在混凝土中適當添加改性劑，促使混凝土承載力及耐久性提高，這就促使市場中逐漸出現(xiàn)了部分強度等級高的混凝土。還有一些研究成果表示，可以在混凝土自重上入手，通過減少其重量來增強其承載力，這也促使市場上出現(xiàn)了部分輕型、高強度的混凝土，例如泡沫混凝土或加氣混凝土等。還可以在混凝土中摻入基體或增強體，例如鋼纖維及碳纖維等復(fù)合纖維物等，由此來提高混凝土的抗拉承載力。

1.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土作為新型的混凝土材料，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：可實現(xiàn)對鋼材的重復(fù)利用，工程造價有所下降，材料利用高，降低環(huán)境污染。鋼纖維本身由多種金屬材料組合而成，延性能力強，在混凝土中適量摻入鋼纖維，可改善混凝土的抗拉承載力。鋼纖維混凝土與普通混凝土相比突出優(yōu)勢在于，鋼纖維混凝土的多項指標性能力都由于混凝土，例如：抗拉、抗壓、初裂強度、防水能力等?，F(xiàn)階段鋼纖維混凝土在組合結(jié)構(gòu)的橋梁及建筑工程中都得到了有效應(yīng)用，打造鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，不僅保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，更能滿足大規(guī)模工程的高標準技術(shù)要求。

1.2 新型混凝土材料——FRP

FRP 屬于新型的混凝土材料，基于復(fù)合屬性，材料優(yōu)勢也高于普通混凝土，該材料在重量上實現(xiàn)了較大突破，強度系數(shù)高，承載優(yōu)勢突出，在等荷載外力作用下影響區(qū)間不大，仍舊能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，變形問題得到有效控制。將FRP 纖維增強復(fù)合材料與鋼管按要求搭配在一起，就能創(chuàng)造出新型的鋼骨-FRP 管混凝土組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的抗變形能力強，可形成對混凝土變形的約束性作用，這就帶動結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度得到強化。在現(xiàn)代橋梁及建筑工程中應(yīng)用該組合結(jié)構(gòu)，一般用作對梁、板、柱等構(gòu)件的修補及加固施工，如果是臨近海邊的港口海洋組合結(jié)構(gòu)或是近海組合結(jié)構(gòu)，則用FRP 將混凝土代替，增強組合結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力。

1.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土經(jīng)特殊操作后，重量輕盈度更高，可以將之劃分到輕骨料混凝土的范疇。在混凝土改良中，基于機械設(shè)備來完成對混凝土的發(fā)泡處理，就能產(chǎn)生泡沫混凝土。無論是物理還是化學操作，只要能夠產(chǎn)生標準化的泡沫混凝土即可。與加氣混凝土不同的是，發(fā)泡混凝土內(nèi)部更為均勻，成孔大小及間距相對規(guī)律，且具有一致性特點，以此為基準可應(yīng)力不均勻的消極屬性，通過在內(nèi)部打造出多孔結(jié)構(gòu)，當密度體積一致時，重量必定大幅度縮減，導熱系數(shù)低，電熱阻卻高于普通混凝土。因此，泡沫混凝土的重量、耐火性、保溫隔熱性及節(jié)能環(huán)保性等優(yōu)勢都高于普通混凝土。在新型混凝土材料技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展中，為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來積極影響，對資源節(jié)約型社會的建設(shè)也意義重大。

2 新型鋼材料在組合結(jié)構(gòu)中的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)鋼材碳素鋼的創(chuàng)新

鋼材料在現(xiàn)代工程建設(shè)中也是常用物資，人們對鋼材的了解較多，例如常見的碳素鋼，因含碳量高低不同，可區(qū)分為低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼三類傳統(tǒng)鋼材料，但是傳統(tǒng)鋼材料的耐腐蝕性及耐火性能力都十分薄弱，后期維護頻率高，無法達到組合結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的要求。因此，需對傳統(tǒng)鋼材料加以創(chuàng)新及改進，可對鋼材中鐵、鉻、銅、硫、磷、鎳等元素含量比例的調(diào)整來改善其屬性，或減少鋼材中有害元素硫與磷，對碳素鋼的強度及耐久性進行提升；還可在鋼材表面鍍氧化物薄膜，增強鋼材的耐腐蝕性。在煉鋼過程中對溫度變化進行調(diào)整，也可在升溫或冷卻的作用下提高其強度系數(shù)，例如碳素鋼的鋼材溫度變化中，當煉鋼溫度達到650~700℃這一區(qū)間時，快速將之冷卻，鋼材的抗拉強度及屈服強度都呈現(xiàn)出了大幅度的下降趨勢。當溫度達到650℃左右，采取快速冷卻措施時，鋼材的硬度快速下降，不難發(fā)現(xiàn)，溫度對控制鋼材后期冷卻階段強度、硬度及延性的增長來說都相當關(guān)鍵。

2.2 合金鋼

如上文所述，傳統(tǒng)碳素鋼已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)的施工要求，積極探索可替代材料也已經(jīng)成為重點，例如合金鋼、超低屈服點鋼、耐火鋼、SN 鋼、輕型焊接H 型鋼等新型鋼材料。合金鋼與碳素鋼相比，重量優(yōu)勢突出，不僅強度高，承載能力也比較強，耐腐蝕性、耐火性、韌性等基礎(chǔ)性參數(shù)都優(yōu)于碳素鋼鋼材，將之應(yīng)用到低層建筑或輕鋼別墅中，都能產(chǎn)生理想化的施工效果。從當前形勢來看，合金鋼無論是在我國還是在世界范圍內(nèi)，其應(yīng)用范圍都比較廣，尤其能夠滿足將輕鋼住宅及工業(yè)廠房的施工要求。將低碳鋼與合金鋼相對比可以發(fā)現(xiàn)，處于同一負荷作用下，合金鋼的屈服時間要在于低碳鋼，屈服強度低，但是后期合金鋼正常使用階段，一旦遭受破壞影響時，其極限強度上的優(yōu)勢就逐漸凸顯，并高于低碳鋼，而且合金鋼的延性變形能力強。

2.3 超低屈服點鋼

在部分鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)工程施工中，存在特殊性的抗震要求時，要想保證抗震或減震能力，就需應(yīng)用超低屈服點的鋼材，這是因為一旦地震災(zāi)害發(fā)生，超低屈服點的鋼材能夠先屈服，而后可借助反復(fù)荷載作用，產(chǎn)生滯后效應(yīng)，由此吸收地震波帶來的能量。直接應(yīng)用超低屈服點鋼來滿足抗震要求，與其他的減震及隔震措施相比，施工成本可得到有效縮減，不僅耐久性優(yōu)良，可靠性也相當高，基于此，該種新型鋼材在地震多發(fā)地區(qū)及抗震等級高的地區(qū)得到了高效應(yīng)用。處于同一荷載作用下，不同強度等級的超低屈服點鋼的塑性變形能力更強。超低屈服點鋼的低周期疲勞屬性特點與普通鋼相類似，只要處于正常使用情況及期限內(nèi)，鋼材的使用壽命都比較長，也不會受到不良影響。

2.4 耐火鋼

眾所周知，傳統(tǒng)鋼材并不具備較高的大火抵抗能力，雖然傳統(tǒng)鋼材的耐熱能力強，耐火性卻并不理想，如果整體采用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)進行施工，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢會在極短的時間內(nèi)快速蔓延，伴隨火勢的急速擴大，會直接產(chǎn)生嚴重的生命財產(chǎn)損失，而這與鋼結(jié)構(gòu)材料本身的耐火性密切相關(guān)。在溫度低于150℃時，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部屬性會出現(xiàn)小幅度的變化情況，但是此時的變化系數(shù)不高，而鋼材在被150℃以上的溫度所輻射時，就會產(chǎn)生較強的性質(zhì)變化，這就需做好對鋼材表面的隔熱保護處理工作，以免鋼材因輻射作用而帶動結(jié)構(gòu)中晶體組織的無序性變化，直接損壞鋼結(jié)構(gòu)。

一般情況下，在溫度為300~400℃區(qū)間時，鋼材的強度、穩(wěn)定性及彈性模量等基礎(chǔ)性指標都會出現(xiàn)弱化表現(xiàn)，無論是物理還是力學性下降是必然的，當溫度繼續(xù)上升，達到600℃，甚至超出這一標準時，鋼材的承載能力將不復(fù)存在。因此，為了改善鋼材的耐火性，滿足特殊地區(qū)及工程的高標準防火要求，就需基于鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)在鋼材表面鍍隔火涂料，或者是直接應(yīng)用耐高溫或耐火材料對其進行覆蓋，形成隔熱保護作用，提高其耐火能力，升級其耐火等級。在經(jīng)濟技術(shù)雙向發(fā)展的當今社會，因技術(shù)創(chuàng)新而產(chǎn)生了新型耐火鋼材，俗稱耐火鋼，通過在鋼材內(nèi)部添加耐高溫的微量元素或纖維聚合物，保證高溫環(huán)境下鋼材內(nèi)部晶體組織的穩(wěn)定性，增強其耐火性能。與傳統(tǒng)的鋼材相對比，耐火鋼作為顯著的優(yōu)勢就是耐火性能優(yōu)良，即使處于大火高溫環(huán)境中，其強度折減系數(shù)仍處于較高值，延伸率變化系數(shù)低，這就說明在高溫情況下，耐火鋼的力學性能及抵抗溫度變化的能力都十分強。

2.5 輕型焊接H 型鋼

現(xiàn)階段全球都在積極研究性能優(yōu)勢更為多元化的新型鋼材料，在歐美及日本等國家，輕型H 型鋼搭配預(yù)制混凝土梁、板構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了泛化應(yīng)用，尤其是在組合結(jié)構(gòu)的民用與工業(yè)房屋建筑中，該種新型鋼材料實現(xiàn)了多方面應(yīng)用，因應(yīng)用范圍大，此種鋼材的年消耗量在逐步上升，例如：在日本的新建民用住宅中，輕型焊接H 型鋼的使用量快速上漲，新建用戶中1/3 的人會優(yōu)先選擇此種輕型焊接H 型鋼的裝配式組合結(jié)構(gòu)建筑，因使用需求增多，日本也成為使用及生產(chǎn)輕型焊接H 型鋼的主流性國家。在我國也是如此，該種新型鋼結(jié)構(gòu)因優(yōu)勢突出而被推廣及使用，對使用有特殊要求的多層鋼結(jié)構(gòu)或者組合結(jié)構(gòu)住宅與工業(yè)建筑中都更適宜應(yīng)用此種新型鋼材。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代工程的高標準建設(shè)中，新材料的使用無疑增加了建設(shè)優(yōu)勢，促使工程施工成本得以縮減，新型混凝土材料更適宜在大跨度組合橋梁橋面混凝土鋪裝及超高層建筑中應(yīng)用。新型鋼材在輕鋼別墅及環(huán)境要求特殊的工程中更為適用。新材料的產(chǎn)生對于組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來說意義重大，各類新材料的優(yōu)勢都能夠滿足組合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代發(fā)展需求，而組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展中也離不開新材料及新技術(shù)的匹配及支撐?？梢哉f新材料的應(yīng)用能夠?qū)⒔M合結(jié)構(gòu)中的設(shè)計缺陷及施工不足所彌補，形成較強的改進性作用。在未來發(fā)展中，關(guān)于新材料的研究投入會不斷增多，更多的新材料也會出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。組合結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代新型結(jié)構(gòu)方式，可在新材料的帶動下朝向資源節(jié)約化及智能化方向全面發(fā)展，并在我國工程建設(shè)的多個方面發(fā)揮價值作用。