新材料下钢-混凝土组合结构的发展与应用

赵新文

（山西建筑工程集团有限公司，山西太原 030032）

1 新型混凝土材料在组合结构中的发展与应用

混凝土材料因应用优势突出，在各大工程领域中都得到了广泛应用，但是混凝土材料在发展及应用环节也逐渐暴露出一些问题，例如混凝土本身的抗压能力强，抗拉能力却并不突出，需与钢筋配合才能提高构件稳固性，对于工程建设来说，施工成本必定因此而上涨。因此，为了从根本上弥补混凝土的不足，逐渐开展了大量的研究工作来增强混凝土强度，部分研究结果倾向于优化混凝土水胶比，或者是在混凝土中适当添加改性剂，促使混凝土承载力及耐久性提高，这就促使市场中逐渐出现了部分强度等级高的混凝土。还有一些研究成果表示，可以在混凝土自重上入手，通过减少其重量来增强其承载力，这也促使市场上出现了部分轻型、高强度的混凝土，例如泡沫混凝土或加气混凝土等。还可以在混凝土中掺入基体或增强体，例如钢纤维及碳纤维等复合纤维物等，由此来提高混凝土的抗拉承载力。

1.1 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土作为新型的混凝土材料，其优势主要表现在：可实现对钢材的重复利用，工程造价有所下降，材料利用高，降低环境污染。钢纤维本身由多种金属材料组合而成，延性能力强，在混凝土中适量掺入钢纤维，可改善混凝土的抗拉承载力。钢纤维混凝土与普通混凝土相比突出优势在于，钢纤维混凝土的多项指标性能力都由于混凝土，例如：抗拉、抗压、初裂强度、防水能力等。现阶段钢纤维混凝土在组合结构的桥梁及建筑工程中都得到了有效应用，打造钢-混凝土组合结构，不仅保证了结构稳固性，更能满足大规模工程的高标准技术要求。

1.2 新型混凝土材料——FRP

FRP 属于新型的混凝土材料，基于复合属性，材料优势也高于普通混凝土，该材料在重量上实现了较大突破，强度系数高，承载优势突出，在等荷载外力作用下影响区间不大，仍旧能够保持结构稳固，变形问题得到有效控制。将FRP 纤维增强复合材料与钢管按要求搭配在一起，就能创造出新型的钢骨-FRP 管混凝土组合结构，该结构的抗变形能力强，可形成对混凝土变形的约束性作用，这就带动结构的抗侧移刚度得到强化。在现代桥梁及建筑工程中应用该组合结构，一般用作对梁、板、柱等构件的修补及加固施工，如果是临近海边的港口海洋组合结构或是近海组合结构，则用FRP 将混凝土代替，增强组合结构的耐腐蚀能力。

1.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土经特殊操作后，重量轻盈度更高，可以将之划分到轻骨料混凝土的范畴。在混凝土改良中，基于机械设备来完成对混凝土的发泡处理，就能产生泡沫混凝土。无论是物理还是化学操作，只要能够产生标准化的泡沫混凝土即可。与加气混凝土不同的是，发泡混凝土内部更为均匀，成孔大小及间距相对规律，且具有一致性特点，以此为基准可应力不均匀的消极属性，通过在内部打造出多孔结构，当密度体积一致时，重量必定大幅度缩减，导热系数低，电热阻却高于普通混凝土。因此，泡沫混凝土的重量、耐火性、保温隔热性及节能环保性等优势都高于普通混凝土。在新型混凝土材料技术的创新发展中，为装配式建筑结构的发展带来积极影响，对资源节约型社会的建设也意义重大。

2 新型钢材料在组合结构中的发展与应用

2.1 传统钢材碳素钢的创新

钢材料在现代工程建设中也是常用物资，人们对钢材的了解较多，例如常见的碳素钢，因含碳量高低不同，可区分为低碳钢、中碳钢及高碳钢三类传统钢材料，但是传统钢材料的耐腐蚀性及耐火性能力都十分薄弱，后期维护频率高，无法达到组合结构建筑发展的要求。因此，需对传统钢材料加以创新及改进，可对钢材中铁、铬、铜、硫、磷、镍等元素含量比例的调整来改善其属性，或减少钢材中有害元素硫与磷，对碳素钢的强度及耐久性进行提升；还可在钢材表面镀氧化物薄膜，增强钢材的耐腐蚀性。在炼钢过程中对温度变化进行调整，也可在升温或冷却的作用下提高其强度系数，例如碳素钢的钢材温度变化中，当炼钢温度达到650~700℃这一区间时，快速将之冷却，钢材的抗拉强度及屈服强度都呈现出了大幅度的下降趋势。当温度达到650℃左右，采取快速冷却措施时，钢材的硬度快速下降，不难发现，温度对控制钢材后期冷却阶段强度、硬度及延性的增长来说都相当关键。

2.2 合金钢

如上文所述，传统碳素钢已经难以满足现代组合结构的施工要求，积极探索可替代材料也已经成为重点，例如合金钢、超低屈服点钢、耐火钢、SN 钢、轻型焊接H 型钢等新型钢材料。合金钢与碳素钢相比，重量优势突出，不仅强度高，承载能力也比较强，耐腐蚀性、耐火性、韧性等基础性参数都优于碳素钢钢材，将之应用到低层建筑或轻钢别墅中，都能产生理想化的施工效果。从当前形势来看，合金钢无论是在我国还是在世界范围内，其应用范围都比较广，尤其能够满足将轻钢住宅及工业厂房的施工要求。将低碳钢与合金钢相对比可以发现，处于同一负荷作用下，合金钢的屈服时间要在于低碳钢，屈服强度低，但是后期合金钢正常使用阶段，一旦遭受破坏影响时，其极限强度上的优势就逐渐凸显，并高于低碳钢，而且合金钢的延性变形能力强。

2.3 超低屈服点钢

在部分钢结构或组合结构工程施工中，存在特殊性的抗震要求时，要想保证抗震或减震能力，就需应用超低屈服点的钢材，这是因为一旦地震灾害发生，超低屈服点的钢材能够先屈服，而后可借助反复荷载作用，产生滞后效应，由此吸收地震波带来的能量。直接应用超低屈服点钢来满足抗震要求，与其他的减震及隔震措施相比，施工成本可得到有效缩减，不仅耐久性优良，可靠性也相当高，基于此，该种新型钢材在地震多发地区及抗震等级高的地区得到了高效应用。处于同一荷载作用下，不同强度等级的超低屈服点钢的塑性变形能力更强。超低屈服点钢的低周期疲劳属性特点与普通钢相类似，只要处于正常使用情况及期限内，钢材的使用寿命都比较长，也不会受到不良影响。

2.4 耐火钢

众所周知，传统钢材并不具备较高的大火抵抗能力，虽然传统钢材的耐热能力强，耐火性却并不理想，如果整体采用传统钢结构进行施工，一旦发生火灾，火势会在极短的时间内快速蔓延，伴随火势的急速扩大，会直接产生严重的生命财产损失，而这与钢结构材料本身的耐火性密切相关。在温度低于150℃时，钢结构内部属性会出现小幅度的变化情况，但是此时的变化系数不高，而钢材在被150℃以上的温度所辐射时，就会产生较强的性质变化，这就需做好对钢材表面的隔热保护处理工作，以免钢材因辐射作用而带动结构中晶体组织的无序性变化，直接损坏钢结构。

一般情况下，在温度为300~400℃区间时，钢材的强度、稳定性及弹性模量等基础性指标都会出现弱化表现，无论是物理还是力学性下降是必然的，当温度继续上升，达到600℃，甚至超出这一标准时，钢材的承载能力将不复存在。因此，为了改善钢材的耐火性，满足特殊地区及工程的高标准防火要求，就需基于钢结构或组合结构在钢材表面镀隔火涂料，或者是直接应用耐高温或耐火材料对其进行覆盖，形成隔热保护作用，提高其耐火能力，升级其耐火等级。在经济技术双向发展的当今社会，因技术创新而产生了新型耐火钢材，俗称耐火钢，通过在钢材内部添加耐高温的微量元素或纤维聚合物，保证高温环境下钢材内部晶体组织的稳定性，增强其耐火性能。与传统的钢材相对比，耐火钢作为显著的优势就是耐火性能优良，即使处于大火高温环境中，其强度折减系数仍处于较高值，延伸率变化系数低，这就说明在高温情况下，耐火钢的力学性能及抵抗温度变化的能力都十分强。

2.5 轻型焊接H 型钢

现阶段全球都在积极研究性能优势更为多元化的新型钢材料，在欧美及日本等国家，轻型H 型钢搭配预制混凝土梁、板构件的组合结构已经实现了泛化应用，尤其是在组合结构的民用与工业房屋建筑中，该种新型钢材料实现了多方面应用，因应用范围大，此种钢材的年消耗量在逐步上升，例如：在日本的新建民用住宅中，轻型焊接H 型钢的使用量快速上涨，新建用户中1/3 的人会优先选择此种轻型焊接H 型钢的装配式组合结构建筑，因使用需求增多，日本也成为使用及生产轻型焊接H 型钢的主流性国家。在我国也是如此，该种新型钢结构因优势突出而被推广及使用，对使用有特殊要求的多层钢结构或者组合结构住宅与工业建筑中都更适宜应用此种新型钢材。

3 结语

综上所述，现代工程的高标准建设中，新材料的使用无疑增加了建设优势，促使工程施工成本得以缩减，新型混凝土材料更适宜在大跨度组合桥梁桥面混凝土铺装及超高层建筑中应用。新型钢材在轻钢别墅及环境要求特殊的工程中更为适用。新材料的产生对于组合结构的优化来说意义重大，各类新材料的优势都能够满足组合结构的现代发展需求，而组合结构的创新发展中也离不开新材料及新技术的匹配及支撑。可以说新材料的应用能够将组合结构中的设计缺陷及施工不足所弥补，形成较强的改进性作用。在未来发展中，关于新材料的研究投入会不断增多，更多的新材料也会出现并得到广泛应用。组合结构作为现代新型结构方式，可在新材料的带动下朝向资源节约化及智能化方向全面发展，并在我国工程建设的多个方面发挥价值作用。