型钢活性粉末混凝土组合结构研究与发展★

王 琨，时金雨，徐冠普，李新宇

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127; 2.江苏邗建集团有限公司，江苏 扬州 225000)

随着社会经济的快速发展，超高层、超大跨度已经成为现代建筑的发展方向。而且越来越多的结构运用于侵蚀、寒冷的环境之中。这就对结构的耐久性提出了更高的要求。普通型钢混凝土组合结构虽然有着承载力高等优点，但是却很难应用于核电、海洋工程之中。型钢活性粉末混凝土结构的力学性能、耐久性、抗震性等都优于普通型钢混凝土组合结构。在我国虽然还没有实际工程应用到型钢活性粉末混凝土组合结构，但是已经有很多学者开展了与其相关的试验，为未来社会的应用提供可靠的依据和经验。

1 型钢活性粉末混凝土组合构件研究

Hongbing Li,Fangbo Wu,Liangtao Bu等[1]为了研究不同强度等级的型钢活性粉末混凝土柱的力学性能和破坏特性，制作6根型钢活性粉末混凝土柱；3根进行了轴向压缩试验，3根进行了偏心压缩试验，轴向压缩试验结果表明，型钢和活性粉末混凝土在初始阶段有良好的工作协同能力，偏心压缩试验的结果表明，偏心加载的型钢活性粉末混凝土柱具有相对较强的可变形性。罗恺彦[2]制作了7根型钢活性粉末混凝土矩形柱，在常温下开展推出试验，发现型钢、钢筋与活性粉末混凝土的黏结作用远远优于型钢、钢筋与普通混凝土的黏结作用，最后推出了在不同影响因素下黏结滑移初始黏结强度，极限黏结强度的简化计算公式。卜良桃、刘鼎[3]制作了3根外包裹活性粉末混凝土的型刚梁，根据实验获得的数据推导了外包活性粉末混凝土型钢梁开裂荷载及正截面抗弯极限承载能力的计算公式。Qingxiong Wu,Zhimin She等[4]为了解决普通混凝土包覆钢管混凝土(OC-CFST)柱的缺点制作了22根UHPC-包覆钢管混凝土柱，通过轴压试验发现，与普通混凝土相比，用UHPC包裹的钢管混凝土柱在实验过程中结构的破坏较小，UHPC受压后不发生剥落;当围护结构UHPC达到峰值压应变时，UC-CFST短柱达到极限承载能力，峰值压应变远远大于OC-CFST短柱。Zhang R,Chen S等[5]为了研究UHPC钢管柱在偏心荷载作用下的结构性能，制作了20个圆形截面和方形截面试件，其中偏心压缩试件12个，同心压缩试件8个。通过实验发现随着初始偏心距和长细比的增大，柱的初始刚度和承载能力减小，弯曲特性逐渐显现。在达到峰值强度后，荷载-变形曲线平稳下降，试件表现出与轴压下不同的延性特征。UHPCFST在偏心受压下的整体破坏模式为平面弯曲;UHPC型芯的失效特征为钢屈曲处的压溃和受拉翼缘处的多处横向裂纹。

2 活性粉末混凝土研究

2.1 活性粉末混凝土的发展

自从1990年法国专家成功研制出活性粉末混凝土,活性粉末混凝土就成为了诸多学者的重点研究对象,认为活性粉末混凝土在工程上有着巨大发展潜力和应用空间，对其进行了大量相关实验研究[6-7]。相对于国外对活性粉末混凝土的研究，国内对活性粉末混凝土的研究较晚。直到1998年，覃维祖教授将RPC引入我国，自此我国掀起了对RPC研究的热潮。譬如湖南大学、中南大学、哈尔滨工业大学都相继开始对RPC展开相关研究。闫光杰、阎贵平等[8]根据加拿大舍布鲁克人行桥采用的200 MPa级RPC的配合比及养护制度[9]，配置出适合我国原材料运用的活性粉末混凝土,并将此混凝土运用在西藏高原铁路。Raza Syed Safdar，Qureshi Liaqat Ali[10]等为了研究碳纤维和常规纤维对活性粉末混凝土力学性能的影响，以碳纤维和常规纤维为混合材料，将其分别在200 ℃，400 ℃，600 ℃下暴晒2 h。最终结果表明：CFRPC的力学性能达到常规SFRPC的85%～90%。1.5% SF和0.5% CF的杂交对RPC的常温和高温力学性能均产生协同效应。Jan Bujnak,Peter Michalek等为研究影响活性粉末混凝土生产的因素，开展相关试验，不改变活性粉末混凝土的组成成分，改变混合方法、混合速度和混合时间[11]。最后试验结果表明，改进后的混合技术有利于提高RPC的新鲜度和硬化性能；搅拌速度和搅拌时间对RPC的新鲜度和硬化性能也有显著影响；较高的搅拌速度和较长的搅拌时间可以降低RPC的流动特性和强度特性。Mustafa S.Abdulraheem，Mohammed M.kadhum等[12]为研究火灾对柱的延性和刚度的影响，进行了有限元分析，分析结果表明，着火后，RPC柱的初始刚度和割线刚度都大大降低，并且随着火灾温度从400 ℃到600 ℃的升高，降低的百分比更高。Wang Hui，Jin Kaikai，Zhang Ailian等[13]研究了不锈钢纤维活性粉末混凝土(SSFs-RPC)的电参数，通过高分辨率图像测试研究了SSFs在RPC中的损伤和腐蚀。结果表明，NaCl溶液冻融循环和干湿交替后，试样表面发生了少量剥落;高宽比和SSFs用量的RPC具有较好的抗衰减性能，且定向SSFs对NaCl溶液中的电导率、压电阻率和耐冻融、干湿交变性能均有积极的影响。Mayhoub Ola A.，Nasr El-Sayed A.R等[14]研究了不同成分对活性粉末混凝土性能的影响，研究发现，采用蒸压罐养护和低水泥用量比采用蒸汽养护可获得更高的抗压强度效果。在蒸压养护条件下，粉煤灰掺量为40%时，抗压强度提高率可达33%。在蒸汽养护条件下，使用掺30%硅灰的稻壳灰，抗压强度提高率可达45%。最后通过对石英砂微观结构的研究，发现了不同石英粉与石英砂的掺合及其对RPC抗压强度的影响。

2.2 活性粉末混凝土的优点

1)耐久性好。活性粉末混凝土的水胶比较低，且内部结构紧密会阻止水分的损失，所以干燥收缩较小。由于其良好的耐久性可以运用到核电、海洋等恶劣环境之中。2)良好的耐高温性以及耐火性。即使遭遇火灾后建筑物仍有着良好的使用性能或者只需要适当的维修，可以降低甚至免除维修费用。3)良好的环保性能。同样的结构截面承载能力，所需要的活性粉末混凝土的用量远比普通混凝土的用量少，可以节约材料。而且生产同等数量的混凝土，活性粉末混凝土产生的二氧化碳较少，运用到的不可再生材料也较普通混凝土少。所以活性粉末混凝土的应用具有环保性。

3 型钢混凝土研究

自从20世纪80年代起,我国就有很多专家开展了相关实验。叶列平[15]制作了16根劲型钢筋混凝土中长柱并开展偏心试验，验证了在柱承受最大荷载之前型钢与包裹在外层的混凝土可以良好地共同工作，并提出了偏心距增大系数η计算公式，所提出的公式表达形式与当时我国现行《规范》中的公式一样，为以后的工程设计提供了方便。熊学玉、姚刚峰[16]通过获得的36根型钢混凝土梁数据，验证了现行规程中的型钢混凝土受弯构件承载力计算方法的合理性与准确性，并且就徐杰提出的受压区高度的计算方法而言，提出了一种更为简单方便的计算过程。王广勇、孙旋、赵伟等[17]为了研究火灾后型钢混凝土框架结构的抗震性能，开展了型钢混凝土框架结构试验，研究受火后其在反复荷载作用下滞回性能，并进行有限元模拟，最终模拟结果与实验相比吻合性良好，为今后火灾后的型钢混凝土框架结构的修复和加固提供了宝贵的依据。Gao Peng，Sun Dequn等[18]为研究拐角半径对碳纤维增强聚合物约束的大型矩形钢筋混凝土柱轴向压缩性能的影响，开展了静态压缩试验。结果表明，随着拐角半径的增加，承压柱的强度和延性均提高。载荷-位移曲线的下降部分逐渐转向上升，并且CFRP应变变得更均匀地分布且具有较高的值。Chen Zongping，Mo Linlin，Li Shengxin等[19]为了研究钢筋混凝土L型柱在压-弯-剪-扭组合作用下的抗震性能，制作了12根L型柱进行试验研究，最终实验结果表明型钢SRC-L形柱的破坏模式主要取决于扭弯比，可分为弯曲破坏、弯剪破坏和弯扭破坏;型钢布局对试件的最终损伤程度有影响。增加扭弯比可以提高试件的抗扭能力，但抗弯能力变弱，刚度退化较快。通过降低翼高与翼厚之比，可提高SRC-L型柱的延性和耗能能力。Y Wang，P Chen等[20]为了研究圆形钢管混凝土短柱的尺寸效应，制作了36根不同直径(150 mm≤d≤460 mm)和钢比(4.0%≤α≤10.0%)的短柱进行试验，试验结果表明，随着柱径的增大，试件的峰值轴向应力、峰值轴向应变和延性系数均有减小的趋势;随着试件直径的增大，复合弹性模量基本保持不变，说明尺寸效应对复合弹性模量影响不明显。同时，钢比在4%～10%范围内对峰值轴向应力的尺寸效应有影响。随着配钢率的增加，尺寸效应呈减小趋势。

4 结语

活性粉末混凝土强度大、耐久性好并且具有环保性能，型钢混凝土可以大大减小构件面积，提高构件承载能力，将活性粉末混凝土用于型钢混凝土组合结构之中形成型钢活性粉末混凝土组合结构将会最大程度提高构件的承载能力，而且更多的新颖建筑样式可以得以实现，也可以运用于一些恶劣的环境中。型钢活性粉末混凝土组合结构因为其众多优点获得众多学者的青睐，虽然现在大家对他还处于探索阶段，尚未大规模将其运用到现实生活中，但随着现代建筑结构的发展，这种结构的运用将会成为大势所趋，相信在不久的将来，在各位专家的不断探索之下，大家对这种结构将会有更多的了解，也将会运用到实际生活中。