型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)研究與發(fā)展★

王 琨，時(shí)金雨，徐冠普，李新宇

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127; 2.江蘇邗建集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，超高層、超大跨度已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展方向。而且越來越多的結(jié)構(gòu)運(yùn)用于侵蝕、寒冷的環(huán)境之中。這就對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高的要求。普通型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)雖然有著承載力高等優(yōu)點(diǎn)，但是卻很難應(yīng)用于核電、海洋工程之中。型鋼活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性、抗震性等都優(yōu)于普通型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。在我國(guó)雖然還沒有實(shí)際工程應(yīng)用到型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)，但是已經(jīng)有很多學(xué)者開展了與其相關(guān)的試驗(yàn)，為未來社會(huì)的應(yīng)用提供可靠的依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 型鋼活性粉末混凝土組合構(gòu)件研究

Hongbing Li,Fangbo Wu,Liangtao Bu等[1]為了研究不同強(qiáng)度等級(jí)的型鋼活性粉末混凝土柱的力學(xué)性能和破壞特性，制作6根型鋼活性粉末混凝土柱；3根進(jìn)行了軸向壓縮試驗(yàn)，3根進(jìn)行了偏心壓縮試驗(yàn)，軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，型鋼和活性粉末混凝土在初始階段有良好的工作協(xié)同能力，偏心壓縮試驗(yàn)的結(jié)果表明，偏心加載的型鋼活性粉末混凝土柱具有相對(duì)較強(qiáng)的可變形性。羅愷彥[2]制作了7根型鋼活性粉末混凝土矩形柱，在常溫下開展推出試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)型鋼、鋼筋與活性粉末混凝土的黏結(jié)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于型鋼、鋼筋與普通混凝土的黏結(jié)作用，最后推出了在不同影響因素下黏結(jié)滑移初始黏結(jié)強(qiáng)度，極限黏結(jié)強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。卜良桃、劉鼎[3]制作了3根外包裹活性粉末混凝土的型剛梁，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)推導(dǎo)了外包活性粉末混凝土型鋼梁開裂荷載及正截面抗彎極限承載能力的計(jì)算公式。Qingxiong Wu,Zhimin She等[4]為了解決普通混凝土包覆鋼管混凝土(OC-CFST)柱的缺點(diǎn)制作了22根UHPC-包覆鋼管混凝土柱，通過軸壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，用UHPC包裹的鋼管混凝土柱在實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)的破壞較小，UHPC受壓后不發(fā)生剝落;當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)UHPC達(dá)到峰值壓應(yīng)變時(shí)，UC-CFST短柱達(dá)到極限承載能力，峰值壓應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OC-CFST短柱。Zhang R,Chen S等[5]為了研究UHPC鋼管柱在偏心荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能，制作了20個(gè)圓形截面和方形截面試件，其中偏心壓縮試件12個(gè)，同心壓縮試件8個(gè)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著初始偏心距和長(zhǎng)細(xì)比的增大，柱的初始剛度和承載能力減小，彎曲特性逐漸顯現(xiàn)。在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，荷載-變形曲線平穩(wěn)下降，試件表現(xiàn)出與軸壓下不同的延性特征。UHPCFST在偏心受壓下的整體破壞模式為平面彎曲;UHPC型芯的失效特征為鋼屈曲處的壓潰和受拉翼緣處的多處橫向裂紋。

2 活性粉末混凝土研究

2.1 活性粉末混凝土的發(fā)展

自從1990年法國(guó)專家成功研制出活性粉末混凝土,活性粉末混凝土就成為了諸多學(xué)者的重點(diǎn)研究對(duì)象,認(rèn)為活性粉末混凝土在工程上有著巨大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用空間，對(duì)其進(jìn)行了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[6-7]。相對(duì)于國(guó)外對(duì)活性粉末混凝土的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)活性粉末混凝土的研究較晚。直到1998年，覃維祖教授將RPC引入我國(guó)，自此我國(guó)掀起了對(duì)RPC研究的熱潮。譬如湖南大學(xué)、中南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)都相繼開始對(duì)RPC展開相關(guān)研究。閆光杰、閻貴平等[8]根據(jù)加拿大舍布魯克人行橋采用的200 MPa級(jí)RPC的配合比及養(yǎng)護(hù)制度[9]，配置出適合我國(guó)原材料運(yùn)用的活性粉末混凝土,并將此混凝土運(yùn)用在西藏高原鐵路。Raza Syed Safdar，Qureshi Liaqat Ali[10]等為了研究碳纖維和常規(guī)纖維對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響，以碳纖維和常規(guī)纖維為混合材料，將其分別在200 ℃，400 ℃，600 ℃下暴曬2 h。最終結(jié)果表明：CFRPC的力學(xué)性能達(dá)到常規(guī)SFRPC的85%～90%。1.5% SF和0.5% CF的雜交對(duì)RPC的常溫和高溫力學(xué)性能均產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。Jan Bujnak,Peter Michalek等為研究影響活性粉末混凝土生產(chǎn)的因素，開展相關(guān)試驗(yàn)，不改變活性粉末混凝土的組成成分，改變混合方法、混合速度和混合時(shí)間[11]。最后試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的混合技術(shù)有利于提高RPC的新鮮度和硬化性能；攪拌速度和攪拌時(shí)間對(duì)RPC的新鮮度和硬化性能也有顯著影響；較高的攪拌速度和較長(zhǎng)的攪拌時(shí)間可以降低RPC的流動(dòng)特性和強(qiáng)度特性。Mustafa S.Abdulraheem，Mohammed M.kadhum等[12]為研究火災(zāi)對(duì)柱的延性和剛度的影響，進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，著火后，RPC柱的初始剛度和割線剛度都大大降低，并且隨著火災(zāi)溫度從400 ℃到600 ℃的升高，降低的百分比更高。Wang Hui，Jin Kaikai，Zhang Ailian等[13]研究了不銹鋼纖維活性粉末混凝土(SSFs-RPC)的電參數(shù)，通過高分辨率圖像測(cè)試研究了SSFs在RPC中的損傷和腐蝕。結(jié)果表明，NaCl溶液凍融循環(huán)和干濕交替后，試樣表面發(fā)生了少量剝落;高寬比和SSFs用量的RPC具有較好的抗衰減性能，且定向SSFs對(duì)NaCl溶液中的電導(dǎo)率、壓電阻率和耐凍融、干濕交變性能均有積極的影響。Mayhoub Ola A.，Nasr El-Sayed A.R等[14]研究了不同成分對(duì)活性粉末混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，采用蒸壓罐養(yǎng)護(hù)和低水泥用量比采用蒸汽養(yǎng)護(hù)可獲得更高的抗壓強(qiáng)度效果。在蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，粉煤灰摻量為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高率可達(dá)33%。在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下，使用摻30%硅灰的稻殼灰，抗壓強(qiáng)度提高率可達(dá)45%。最后通過對(duì)石英砂微觀結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)了不同石英粉與石英砂的摻合及其對(duì)RPC抗壓強(qiáng)度的影響。

2.2 活性粉末混凝土的優(yōu)點(diǎn)

1)耐久性好?；钚苑勰┗炷恋乃z比較低，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密會(huì)阻止水分的損失，所以干燥收縮較小。由于其良好的耐久性可以運(yùn)用到核電、海洋等惡劣環(huán)境之中。2)良好的耐高溫性以及耐火性。即使遭遇火災(zāi)后建筑物仍有著良好的使用性能或者只需要適當(dāng)?shù)木S修，可以降低甚至免除維修費(fèi)用。3)良好的環(huán)保性能。同樣的結(jié)構(gòu)截面承載能力，所需要的活性粉末混凝土的用量遠(yuǎn)比普通混凝土的用量少，可以節(jié)約材料。而且生產(chǎn)同等數(shù)量的混凝土，活性粉末混凝土產(chǎn)生的二氧化碳較少，運(yùn)用到的不可再生材料也較普通混凝土少。所以活性粉末混凝土的應(yīng)用具有環(huán)保性。

3 型鋼混凝土研究

自從20世紀(jì)80年代起,我國(guó)就有很多專家開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。葉列平[15]制作了16根勁型鋼筋混凝土中長(zhǎng)柱并開展偏心試驗(yàn)，驗(yàn)證了在柱承受最大荷載之前型鋼與包裹在外層的混凝土可以良好地共同工作，并提出了偏心距增大系數(shù)η計(jì)算公式，所提出的公式表達(dá)形式與當(dāng)時(shí)我國(guó)現(xiàn)行《規(guī)范》中的公式一樣，為以后的工程設(shè)計(jì)提供了方便。熊學(xué)玉、姚剛峰[16]通過獲得的36根型鋼混凝土梁數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了現(xiàn)行規(guī)程中的型鋼混凝土受彎構(gòu)件承載力計(jì)算方法的合理性與準(zhǔn)確性，并且就徐杰提出的受壓區(qū)高度的計(jì)算方法而言，提出了一種更為簡(jiǎn)單方便的計(jì)算過程。王廣勇、孫旋、趙偉等[17]為了研究火災(zāi)后型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，開展了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究受火后其在反復(fù)荷載作用下滯回性能，并進(jìn)行有限元模擬，最終模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比吻合性良好，為今后火災(zāi)后的型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固提供了寶貴的依據(jù)。Gao Peng，Sun Dequn等[18]為研究拐角半徑對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物約束的大型矩形鋼筋混凝土柱軸向壓縮性能的影響，開展了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著拐角半徑的增加，承壓柱的強(qiáng)度和延性均提高。載荷-位移曲線的下降部分逐漸轉(zhuǎn)向上升，并且CFRP應(yīng)變變得更均勻地分布且具有較高的值。Chen Zongping，Mo Linlin，Li Shengxin等[19]為了研究鋼筋混凝土L型柱在壓-彎-剪-扭組合作用下的抗震性能，制作了12根L型柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明型鋼SRC-L形柱的破壞模式主要取決于扭彎比，可分為彎曲破壞、彎剪破壞和彎扭破壞;型鋼布局對(duì)試件的最終損傷程度有影響。增加扭彎比可以提高試件的抗扭能力，但抗彎能力變?nèi)?，剛度退化較快。通過降低翼高與翼厚之比，可提高SRC-L型柱的延性和耗能能力。Y Wang，P Chen等[20]為了研究圓形鋼管混凝土短柱的尺寸效應(yīng)，制作了36根不同直徑(150 mm≤d≤460 mm)和鋼比(4.0%≤α≤10.0%)的短柱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著柱徑的增大，試件的峰值軸向應(yīng)力、峰值軸向應(yīng)變和延性系數(shù)均有減小的趨勢(shì);隨著試件直徑的增大，復(fù)合彈性模量基本保持不變，說明尺寸效應(yīng)對(duì)復(fù)合彈性模量影響不明顯。同時(shí)，鋼比在4%～10%范圍內(nèi)對(duì)峰值軸向應(yīng)力的尺寸效應(yīng)有影響。隨著配鋼率的增加，尺寸效應(yīng)呈減小趨勢(shì)。

4 結(jié)語

活性粉末混凝土強(qiáng)度大、耐久性好并且具有環(huán)保性能，型鋼混凝土可以大大減小構(gòu)件面積，提高構(gòu)件承載能力，將活性粉末混凝土用于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)之中形成型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)將會(huì)最大程度提高構(gòu)件的承載能力，而且更多的新穎建筑樣式可以得以實(shí)現(xiàn)，也可以運(yùn)用于一些惡劣的環(huán)境中。型鋼活性粉末混凝土組合結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浔姸鄡?yōu)點(diǎn)獲得眾多學(xué)者的青睞，雖然現(xiàn)在大家對(duì)他還處于探索階段，尚未大規(guī)模將其運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中，但隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)用將會(huì)成為大勢(shì)所趨，相信在不久的將來，在各位專家的不斷探索之下，大家對(duì)這種結(jié)構(gòu)將會(huì)有更多的了解，也將會(huì)運(yùn)用到實(shí)際生活中。