新型混凝土与型钢结构组合性能分析及应用

新型混凝土与型钢结构组合性能分析及应用

冉迅 ,张杰

（四川汶马高速公路有限责任公司  四川成都  610000）

摘要：型钢-混凝土结构作为工民建方面的一种重要形式，具有承载能力高、刚度大、便于施工等优点，被广泛应用于大跨、重型结构，地下、水下及高层建筑。然而，普通混凝土已不能满足韧性要求制约了型钢-混凝土的优势。为有效解决型钢-混凝土组合结构中普通混凝土性能差等问题，特开展不同种类混凝土在型钢-混凝土组合结构变形特征分析与应用。发现钢纤维混凝土在承载力及粘结滑移方面表现更优，与其他混凝土相比更有利于发挥型钢-混凝土组合结构性能。

关键词：型钢-混凝土；粘结滑移；承载力

中图法分类号：TU502；      文献标志码：B文章编号：

第一作者：冉迅(1997—)，男，硕士，助理工程师。主要从事高速公路工程管理工作，E-mail：1026231690@qq.com。

通信作者：张杰(1996—)，男，硕士，助理工程师。主要从事高速公路工程管理工作，E-mail：862344366@qq.com。

0  引言

型钢-混凝土组合结构作为工民建方面的一种重要形式，具有承载能力高、刚度大、便于施工等优点，被广泛应用于大跨、重型结构，地下、水下及高层建筑[1]。然而，普通混凝土的韧性以及与型钢界面自然粘结性能差等问题，制约了型钢高延性和混凝土高抗压强度优势。

本文对比普通混凝土和新型型混凝土，结合工程案例，总结型钢-混凝土组合结构在工程领域的应用问题，该研究有助于提升工程实践中对不同种类混凝土的认识，具有一定的工程指导意义。

1  新型混凝土材料

决定型钢-混凝土组合结构性能的基础是混凝土材料。研发具有高韧性且与型钢界面自然粘结性能优异的混凝土材料是改善型钢-混凝土结构体系力学的最有效途径。目前研究与型钢结构组合使用较多的混凝土有钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等。

1.1普通混凝土

普通混凝土从发明至今已有上百年历史，是目前工程最常用的材料，在很多性能具有优势，通常与钢筋和型钢等钢材组合使用，能显著提升力学性能，但与钢材粘结性能较差，不能与型钢等共同承担荷载及协同变形，导致组合结构发展受限。

1.2钢纤维混凝土

自20世纪初，欧洲提出用金属纤维增强混凝土，之后钢纤维混凝土在欧洲的工程建设中广泛应用。我国对钢纤维混凝土的研究较晚，但在国内专家学者共同努力下，钢纤维混凝土在我国发展迅速，相继颁布了《钢纤维混凝土试验方法CECS13:89》、《钢纤维混凝土结构设计与施工规程CECS38:92》等规范。

1.3聚丙烯纤维混凝土

聚丙烯纤维是近年来新兴的一种材料，是由高寒地区的特殊植物制备的新型环保的纤维，不仅具有高抗拉强度，还具有良好的延性和价格低廉等特点，在实际混凝土结构工程中逐渐得到应用，能有效解决结构由于韧性不足造成的开裂问题，并显著提升结构的变形能力。

2  型钢-混凝土性能分析

本次以普通混凝土作为对照组，分析已有学者采用推出试验得出的型钢-混凝土变形特征和粘结滑移性能，对比分析其性能。

2.1 破坏特征

（1）型钢-普通混凝土

王国锋[2]发现当荷载达到10％～20％的峰值荷载时，四周及两端均未出现裂缝；当荷载达到20％～80％仅在型钢翼缘中部开始出现垂直翼缘的裂缝，当荷载增加至峰值荷载，裂缝迅速发展，并在纵向形成贯通的破坏主裂缝，形成劈裂裂缝。当达到峰值荷载后，荷载陡降，纵向贯通的主裂缝不断扩展，最终荷载维持在一个恒定值，约为峰值荷载的20%。

（2）型钢-钢纤维混凝土

伍凯[3]发现当荷载达到10％～20％的峰值荷载时，四周及两端均未出现裂缝；当荷载达到到60％～80％的峰值荷载时，在保护层厚度最小的外表面出现垂直翼缘的中部裂缝，并从钢纤维混凝土外表面向内发展，延伸至两者黏结界面，形成劈裂裂缝；翼缘肢尖处出现沿45°方向由内向、外发展的裂缝，形成粘结裂缝。当荷载达到80％～100％峰值荷载时，形成首条可见的混凝土裂缝。当达到峰值荷载后，荷载突然陡降，先前形成的黏结裂缝发展迅速，部分试件的钢纤维混凝土外表面形成贯通的劈裂裂缝。与此相应两者的握裹作用不断降低，最终荷载维持在一个恒定值，约为峰值荷载的26%。

（3）型钢-聚丙烯纤维混凝土

国内外目前没有研究型钢-聚丙烯纤维混凝土的组合性能，只有聚丙烯混凝土的力学性能，吴昊[4]发现聚丙烯纤维混凝土提高耐久性，降低成本。而杨永栩[7]对比发现，钢纤维混凝土的抗压性能优于聚丙烯纤维混凝土，同时钢纤维能提高界面的机械咬合力从而提高胶结力。

通过对比分析普通混凝土和新型混凝土与型钢组合结构的破坏特征发现：

①当出现初始裂缝时，型钢-普通混凝土对应的荷载小于型钢-钢纤维混凝土，说明加入钢纤维能有效阻止型钢-混凝土初始裂缝的开展。

②当出现劈裂裂缝时，型钢-普通混凝土对应的荷载小于型钢-钢纤维混凝土，但钢纤维混凝土表面伴随着粘结裂缝，说明加入钢纤维能提高粘结荷载，但提高粘结荷载的同时，钢纤维受拉会导致混凝土受拉，因此混凝土表面会出现粘结裂缝。

③当劈裂裂缝稳定时，型钢-普通混凝土荷载小于型钢-钢纤维混凝土，说明加入钢纤维能提高粘结荷载，但提高粘结荷载的同时，钢纤维受拉会导致混凝土受拉，因此会出现粘结裂缝。故钢纤维的含量对型钢-钢纤维混凝土结果破坏存在一定的影响。

2.3  粘结滑移性能分析

（1）型钢-普通混凝土

当荷载达到10％左右的峰值荷载时，型钢-混凝土处于弹性阶段，在该荷载下两者不存在相对滑移，处于弹性阶段，化学胶结力完好；当荷载大于10％的峰值荷载后，界面开始发生相对滑移后，硬化的水泥胶体被剪断，化学胶结力丧失，此时界面上的剪力传递转由摩擦力与机械咬合力承担。当达到峰值荷载后，荷载突然陡降，界面粘结完全失效，仅依靠机械咬合应力与摩擦力继续维持界面的剪力传递，滑移量约为极限滑移量的1～5%。当处于稳定滑移阶段时，极限滑移量为12～14mm。

（2）型钢-钢纤维混凝土

当荷载达到10％～20％的峰值荷载时，型钢-钢纤维混凝土界面处于弹性阶段，在该荷载下两者界面不存在相对滑移，处于弹性阶段，化学胶结力完好；当荷载大于20％的峰值荷载后，界面开始发生相对滑移后，硬化的水泥胶体被剪断，化学胶结应力丧失，此时材料界面上的剪力传递转由摩擦力与机械咬合力承担。当达到峰值荷载后，荷载突然陡降，界面粘结完全失效，仅依靠机械咬合力与摩擦力继续维持界面的剪力传递，滑移量约为极限滑移滑移量的20～25%。当处于稳定滑移阶段时，极限滑移量为8～10mm。

通过对比分析普通混凝土和新型混凝土与型钢组合结构柱推出试验的粘结滑移性能特征发现：

①当两者界面处于弹性-刚滑移阶段时，型钢-普通混凝土的化学胶结力小于型钢-钢纤维混凝土，较普通混凝土提高了约50%，说明加入钢纤维能有效提高型钢-混凝土的化学胶结力。

②当两者界面处于峰值荷载下的滑移阶段时，型钢-钢纤维混凝土滑移量小于型钢-普通混凝土滑移量，较普通混凝土减少了20%左右，说明加入钢纤维能提高粘结滑移性能，降低相对滑移量，主要体现在钢纤维对界面的机械咬合力与摩擦力的提高。

③当两者界面处于残余荷载下的稳定滑移阶段时，型钢-钢纤维混凝土小于型钢-普通混凝土极限滑移量，较普通混凝土减少了约28%左右，说明当型钢-混凝土失去承载力破坏时，钢纤维能有效减少两者的剥离，有利于结构安全。

3  工程应用

欧美国家对型钢-混凝土结构在公路、桥梁、海洋工程领域的使用多于建筑结构，但不及日本广泛，日本是研究型钢-混凝土最全面、最深入的国家。20世纪80年代后，型钢-混凝土结构在我国兴起，北京、成都等省市的高层建筑中应用，取得了良好的经济效果，例如成都市天兴综合楼等。从已有研究中发现不仅能够继承型钢-混凝土结构的性能优势，而且能极大加快施工效率，节省工期，降低工程造价，提升结构和构件的受力性能等优势。

4  结束语

本文通过对比分析不同新型混凝土与型钢组合的性能，以及工程实际应用，得到如下结论：

（1）混凝土材料是制约型钢-混凝土发展的重要因素，通过改善混凝土材料能显著提高其与型钢结构的协同作用，是今后研究的重要方向。

（2）型钢-钢纤维混凝土结构相比于型钢-普通混凝土不仅能够继承型钢-混凝土结构的性能优势，而且能极大加快施工效率，节省工期，提升构建物的受力性能等，但目前缺乏实际工程应用。

参考文献

[1]杨勇, 郭子雄, 薛建阳, 等. 2005. 型钢混凝土粘结滑移性能试验研究[J]. 建筑结构学报, (04): 1-9.

[2]王国锋. 带栓钉连接件的型钢混凝土纵向剪力传递性能研究[D].宁波大学,2013.

[3]吴昊. 聚丙烯纤维对混凝土早期裂缝的影响研究[D].北京建筑工程学院,2013.

[4]杨永栩.钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土性能对比试验及分析[J].广东建材,2023,39(08):29-31.