钢筋混凝土的发展及其在高层中应用现状

钢筋混凝土的发展及其在高层中应用现状摘要:高层建筑钢2混凝土混合结构体系兼有钢结构和混凝土结构的优点。近年来,混合结构在我国高层及超高层建筑中得到了广泛的应用,但国内外对混合结构体系的抗震性能及设计中的一些关键技术问题尚有争议。对高层混合结构常用结构体系及工程应用实例等进行梳理,对混合结构的整体抗震性能、延性、构件设计、节点连接的可靠性、竖向变形差异、施工过程模拟、弹塑性时程分析、阻尼比等关键技术进行了讨论,并提出今后高层混合结构发展需进一步开展的研究工作。关键词:混合结构体系;结构体系;设计关键技术;工程应用实例Developmentandprospectofhybridhigh2risebuildingstructuresinChinaWANGDasui,ZHOUJianlong(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.Ltd,Shanghai200002,China)Abstract:Hybridhigh2risebuildingstructurehasboththeadvantagesofsteelstructureandconcretestructure.SteelandconcretehybridstructuresarewidelyusedinChinainrecentyears.However,differentviewsexistrelatedtotheseismicbehaviorofhybridstructuresandkeydesignmethodologies.Thispaperattemptstosummarizevarioushybridstructuresystemsalongwithintroductionoftypicalengineeringexamples.Keytechnicalissuesarediscussed,includingseismicbehavior,ductilitydesign,memberdesign,thereliabilityofconnections,differenceinverticaldeformation,constructionanalysis,nonlineartime2historyanalysisanddampingratio.Futureresearchneedsarealsosuggested.Keywords:hybridstructure;structuresystem;keytechnology;engineeringcases采用高强度的材料，是发展钢筋混凝土结构的主要途径。目前我国建筑结构安全度总体上低于欧美发达国家，但材料用量并没有相应降低。这是因为就全国而言，我国建筑工程上采用的钢筋和混凝土平均强度等级，均低于欧美发达国家。欧美发达国家较高的安全度是建立在较高强度材料的基础上的，而我国较低的安全度是由于采用的材料强度偏低。为此，用于工业与民用建筑的混凝土结构设计规范已将混凝土强度等级由C60提高到C80，对普通的钢筋混凝土结构优先推广HRB400钢筋，对预应力沪宁图结构优先推广高强钢丝和刚绞线。在结构和施工方面，随着预拌混凝土、泵送混凝土及滑模施工新技术的应用，已显示出它们在保证混凝土质量、节约原材料和能源、实现文明施工等方面的优越性，所以我国目前工业与民用建筑中广泛采用现浇整体式结构。采用预先在模板内填实粗骨料，再将水泥浆用压力灌入粗骨料空隙中形成的压浆混凝土，以及用于大体积混凝土结构、公路路面与厂房地面的碾压混凝土，它们的浇筑过程都采用机械化施工，浇筑工期可大为缩短，并能节约大量材料，从而获得经济效益。值得注意的是，近年来钢混组合结构、外包钢混凝土结构及钢管混凝土结构已经在工程中逐步推广应用。这些组合结构具有充分利用材料强度、较好的适应变形能力、施工教简单等特点。在预应力混凝土结构中，横向张拉技术是一种值得推广的施工方法，它既不需要锚具，也不需要灌浆。另外，缓粘结预应力混凝土不需要后续灌浆，避免了后张法预应力混凝土结构灌浆不密实的问题，从而可保证质量，也是值得推广的技术。2.概述混凝土是现代工程结构的主要材料.a.材料特性混凝土是水泥与骨料的混合物。当加入一定量水分的时候，水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。通常普通混凝土拥有较强的抗压强度（大约3,000磅/平方英寸,35Mpa）。但是混凝土的抗拉强度较低，通常只有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。而绝大多数结构构件内部都有受拉应力作用的需求，故未加钢筋的混凝土极少被单独使用于工程。相较混凝土而言，钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上，故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作，由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。例如在图2简支梁受弯构件中，当施加荷载P时，梁截面上部受压，下部收拉。此时配置在梁底部的钢筋承担拉力(4)，而上部阴影区所示混凝土(2)承受压力(3)。在一些小截面构件里，除了承受拉力之外，钢筋同样可用于承受压力，这通常发生在柱子之中。钢筋混凝土构件截面可以根据工程需要制成不同的形状和大小。同普通混凝土一样，钢筋混凝土在28天后达到设计强度。b.工作原理钢筋混凝土之所以可以共同工作是由它自身的材料性质决定的。首先钢筋与混凝土有着近似相同的线膨胀系数，不会由环境不同产生过大的应力。其次钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，有时钢筋的表面也被加工成有间隔的肋条（称为变形钢筋）来提高混凝土与钢筋之间的机械咬合，当此仍不足以传递钢筋与混凝土之间的拉力时，通常将钢筋的端部弯起180度弯钩。此外混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层蚀化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀。c.选用钢筋的规格和种类钢筋混凝土中的受力筋含量通常很少，从占构件截面面积的1%（多见于梁板）至6%（多见于柱）不等。钢筋的截面为圆型。在美国从0.25至1英尺，每级1/8英尺递增；在欧洲从8至30毫米，每级2毫米递增；在中国大陆从3至40毫米，共分为19等。在美国，根据钢筋中含碳量，分成40钢与60钢两种。后者含碳量更高，且强度和刚度较高，但难于弯曲。在腐蚀环境中，电镀、外涂环氧树脂、和不锈钢材质的钢筋亦有使用。在潮湿与寒冷气候条件下，钢筋混凝土路面、桥梁、停车场等可能使用除冰盐的结构则应使用环氧树脂钢筋或者其他复合材料混凝土，环氧树脂钢筋可以通过表面的浅绿色涂料轻松识别。3.裂缝钢筋混凝土梁在外荷载的直接应力和次应力的作用下,引起结构变形而裂缝。构件在使用过程中受年温差的长期作用,当温差的胀缩应力大于构件极限抗拉强度时就会裂缝。构件裂缝的因素是多方面的,包括结构设计、地基沉降差异、施工质量、材料质量、环境影响等,无论何种原因产生的裂缝,都会给建筑物肢体结构带来影响。二、裂缝的部位(一)梁受拉区裂缝由于浇筑混凝土时施工管理不善,使用了低劣的钢筋,造成梁受拉钢筋强度不足。施工中,提前拆模、施工荷载超过设计荷载或混凝土强度低于设计规定,以及使用不当,使用荷载大大超过原设计荷载,使梁受拉区产生裂缝。梁受拉区产生的裂缝一般采用水泥浆封闭,防止钢筋锈蚀,再根据具体情况做补强加固处理。(二)梁在支座附近的斜裂缝梁的混凝土强度低于设计强度,抗剪钢筋不足,箍筋没有增加,也有的因超载,提前拆模时混凝土强度低于标准强度值,造成的抗剪能力低而产生剪切裂缝。应先用粘结浆液压注处理,再进行加固补强,确保梁的使用安全。(三)梁受压区裂缝梁的高度小,有的梁没有抗裂验算,混凝土振捣不够密实,梁长期在年温差和日温差作用下产生温差变形及长期处于干燥状态的环境中干缩变形,梁在温差和干缩的综合作用下裂缝。缝上宽下窄,有贯穿的,不贯穿的。裂缝长度为梁高的3/5～4/5,梁底部不裂,这种裂缝可用水泥砂浆压注、粘结密封裂缝和补强。三、裂缝形成原因钢筋混凝土梁出现裂缝的原因很复杂,主要有:材料或气候因素、施工不当、设计和施工错误、改变使用功能或使用不合理等。通常可归纳为以下几种:收缩裂缝。混凝土尚处于未完全硬化状态时,如干燥过快,则产生收缩裂缝,通常发生在表面上,裂缝不规则,宽度小。水泥水化硬化时的裂缝。水泥在水化及硬化的过程中,散发大量热量,使混凝土内外部产生温差,超过一定值时,因混凝土的收缩不一致而产生裂缝。温变裂缝。水泥在硬化期间,混凝土表面与内部温差较大,导致混凝土表面急剧的温度变化而产生较大的降温收缩,受到内部混凝土的约束,而出现裂缝。设计欠周全。如钢筋混凝土梁的截面不够,梁的跨度过大,高度偏小,或者由于计算错误,受力钢筋截面偏小、配筋位置不当、节点不合理等,都会导致混凝土梁出现结构裂缝。施工质量造成的裂缝。①由于混凝土标号偏低、受力钢筋截面偏小、截面尺寸不符合设计等而导致混凝土梁出现裂缝。②由于施工不当、模板支撑下沉,或过早拆除底模和支撑等形成的裂缝。③由于施工控制不严,在梁上超载堆荷,而导致出现裂缝。预制钢混凝土梁在运输、吊装过程中,由于支撑不合理、吊点位置不符,以及较大的振动或冲击荷载,也会导致钢筋混凝土梁出现裂缝。在使用过程中,改变原来的使用功能,如将办公室改为仓库、屋面加层、使用不当、增大梁上荷载等均会出现裂缝。四、混凝土裂缝发生的控制措施混凝土裂缝发生与组成混凝土的水泥、净砂、石子、掺加剂等原材料有关,也与浇筑后混凝土的保温保湿的养护措施有关。(一)原材料的质量控制水泥:在混凝土路面及大体积混凝土施中,水化热引起的温升较高,降温幅度大,容易引起温度裂缝。为此,在施工中应选用水化热较低的水泥,尽量降低单位水泥使用量。粗骨料:在钢筋混凝土施工中,粗骨料的最大尺寸与结构物的配筋、混凝土的浇灌工艺有关,增大骨料粒径可减少用水量,混凝土的收缩和泌水随之减少,但骨料粒径增大容易引起混凝土的离析,因此,必须调整好级配设计,并在施工中加强振捣。对于粒径5～40mm的石子,要求针片状少,超规少,颗粒级配符合筛分曲线要求,这样可避免堵泵,减少砂率、水泥用量,提高混凝土强度。试验结果表明:采用粒径5-40mm石子比采用粒径5～25mm石子每立方米混凝土减少用水量l5kg左右:在相同水灰比情况下,每立方米混凝土水泥用量减少20kg左右(水灰比0.709),同时降低了混凝土的温升;当粒径50mm石子满足筛分曲线要求时,其砂率控制在42%左右即可满足泵送要求。细骨料:采用中粗砂比采用细砂每立方米混凝土减少用水量20kg左右,水泥相应减少28kg左右,从而降低混凝土的干缩。砂石料的含泥量控制:砂石含泥量超标,不仅增加混凝土的干缩,同时降低了混凝土的抗拉强度,对混凝土的抗裂十分不利,因此,在路面混凝土及大体积混凝土施工中,石子含泥量应掺加块石:在大体积混凝土基础施工中,掺加无裂缝的、冲洗干净、规格为l50～250mm的坚固大石块,不仅可减少混凝土的总用量,又可减少单位水泥用量,从而降低水化热,同时,石块本身也吸收热量,使水化热进一步降低,对控制裂缝有利。如在滨河路防洪堤施工中,基础混凝土掺人l5%的块石,使得基础混凝土裂缝出现极少。(二)混凝土配合比的选定混凝土原料的配合比应根据工程的要求,如防水、防渗、防气、防射线等进行认真分析,选择最优方案。混凝土的水灰比应在满足强度要求及泵送工艺要求条件下尽可能降低。掺合料:混凝土中掺人粉煤灰不仅能替代部分水泥,而且粉煤灰颗粒成球状,可起润滑作用,能改善混凝土的工作性和可泵性,且可明显降低混凝土水化热。外加剂:为了满足送到现场的混凝土具有l1～l3cm坍落度,若只增加水泥使用量,则会加剧混凝土干燥收缩,明显增大混凝土水化热,易引起开裂。因此,除了调整级配外,可掺入适量的减水剂。(三)利用混凝土的后期强度对于大体积混凝土可以利用后期强度,如60d、90d、120d强度,即允许工程在60d、90d或120d达到设计强度,这样可以减少水泥用量,减少水化热和收缩,从而减少裂缝。(四)混凝土的浇灌振捣技术混凝土的浇灌振捣技术对混凝土