高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁結構的初探

謝　龍， 黃雙華， 鐘　菘， 段寒風1,

(1. 西華大學建筑與土木工程學院， 四川成都 610000；2. 攀枝花學院土木與建筑工程學院， 四川攀枝花 617000)

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高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁結構的初探

謝龍1，2， 黃雙華2， 鐘菘1，2， 段寒風1,2

(1. 西華大學建筑與土木工程學院， 四川成都 610000；2. 攀枝花學院土木與建筑工程學院， 四川攀枝花 617000)

隨著城市化、城鎮化進程速度加快，城市土地資源非常緊張。為了充分利用城市土地，在高層建筑結構設計中，普通扁梁結構應用日趨普遍。攀西地區響應國家對工業固體廢物的回收利用號召，對高鈦型高爐渣混凝土的力學性能進行深入研究。文章主要介紹了高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁結構的設計，總結了其在實際工程應用中的優越性與經濟性。對高鈦型高爐渣混凝土扁梁結構的研究是一個很有工程價值的課題。

高層建筑；高鈦型高爐渣混凝土；扁梁結構

攀鋼集團每年產生的高爐渣約400×104t，大量的高爐渣堆積易造成環境污染，也是對攀鋼二次資源的很大浪費。十九冶建研究所及冶建總院對攀鋼產生的高爐渣的性能及應用進行基本試驗，結果表明：用粒徑5～40 mm高鈦型高爐渣作為混凝土的粗骨料其主要基本力學性能和質量都能滿足規范要求。1985年攀鋼研究院采用轉鼓法將高爐渣作為原料干粒化并制砂作為混凝土的細骨料進行了研究,攀鋼建安公司也曾用攀枝花水碎高爐渣代替天然砂配制混凝土和砂漿的試驗,實驗研究結果都表明：粒化渣砂可代替河砂用和高鈦型高爐渣作為混凝土的粗細骨料是符合規范要求的。攀西地區對高鈦型高爐渣混凝土的研究已經取得成果[1-4]。陳偉、汪杰、黃雙華等[5-8]對高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁進行正截面抗彎性能試驗，驗證了高鈦型高爐渣梁的平截面假設，梁的屈服撓度、極限撓度都滿足要求，并得出高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁極限抗彎承載力約為GB 20011-2010《混凝土結構設計規范》[9]理論值的1.45倍，并對預留了高鈦型高爐渣混凝土立方體標準試塊進行抗壓試驗，測得設計C30混凝土實際抗壓強度標準值達38.8 MPa，高出設計值29.3 %。因此，研究高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁的應用，將為高鈦型高爐渣的利用開啟一個新的方向，具有工程價值和經濟價值。

1　高爐渣鋼筋扁梁設計

1.1理論依據

根據現行GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》[10]對扁梁的規定，建筑抗震設計時，扁梁的截面尺寸應符合下列要求：

bb≤2bc, bb≤bc+hb, hb≥16 d

式中:bc為柱截面寬度；bb為梁截面寬度；hc為梁截面高度；d為柱縱筋直徑。

1.2扁梁承載力、剛度、裂縫設計要求

離開柱邊 0.5 bb范圍，可認為梁端彎矩按梁寬均勻分布； 離開柱邊bb范圍，可認為剪應力按梁寬均勻分布[9]。其計算同普通混凝土梁，取寬扁梁全截面計算，其抗彎承載力、受剪承載力以及正常使用極限狀態的裂縫、撓度均按現行GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》[9]進行設計。當扁梁一側的受拉鋼筋配筋率達到2.0 %左右時,寬扁梁的設計就由強度控制轉變為由構件裂縫寬度和撓度控制,按照現行《混凝土結構設計規范》中第8.1.1條規定，應按結構所處環境類別和結構類別確定相應的裂縫控制等級及最大裂縫寬度限值要求。所以裂縫寬度限值對于一般樓層應按0.3 mm取值,屋頂負彎矩區應按0.2 mm控制要求進行驗算。

1.3節點設計

扁梁結構分為單向扁梁和雙向扁梁(圖1、圖2)，節點分為邊節點、中節點、角節點。節點內核心區與常規節點相似，構件的內力可按傳統的彈性力學分析方法求的，得出的節點區全截面水平剪力和豎向剪力可作為寬扁梁柱節點區全截面水平剪力和豎向剪力。對于寬扁梁柱節點，隨著寬扁梁寬度的增加，內核心區所承擔的梁端彎矩相對減小，內核心區的水平剪力也相對減小，外核心區所承擔的梁端彎矩相應增大，使得外核心區的水平剪力也相對增大。扁梁框架節點的內核心區[11-12]水平受剪承載力計算，設計建議：

外核心區水平抗剪筋可利用腰筋貫通及附加另向水平拉結筋構成。對于外核心區水平抗剪筋的計算[11-12]，設計建議：

式中：V″jh為節點外核心區水平受剪承載力設計值；A″j為節點外核心區面積；A″svj為外核心區同一水平截面內與水平剪力同向的附加箍筋( 或腰筋) 各肢的截面積之和；sa為外核心區沿高度方向的附加箍筋( 或腰筋) 間距。扁梁構造要求見表1。

(a)中節點

(b)邊節點

(c)角節點

(a)中節點

(b)邊節點

(c)角節點

節點鋼筋配置扁梁類型設置方式一級抗震二、三級抗震非抗震水平抗剪箍筋單向扁梁內外核心區設置,腰筋雙向貫通附加另向水平拉結筋構成12@10010@1008@100雙向扁梁寬扁梁腰筋雙向貫通構成12@10010@1008@100抗扭縱筋配置單向扁梁雙向扁梁核心區附加封閉箍筋12@10010@1008@100梁高相等,通過計算要求增加框架梁縱向鋼筋12@10010@1008@100梁高不相等,在矮寬扁梁方向外核心區底部加設朝上開口箍筋12@10010@1008@100抗扭封邊箍筋配置單、雙向扁梁寬扁梁縱向鋼筋與節點外核心區角部附加垂直拉筋焊接或搭接12@10010@1008@100垂直抗剪箍筋配置單、雙向扁梁垂直抗剪拉筋勾住進入外核心區的寬扁梁縱筋12@10010@1008@100

2　高爐渣鋼筋混凝土扁梁的優越性與經濟性

2.1優越性

高鈦型高爐渣具有很好的空隙比率，作為扁梁的粗細骨料，可以很好地與水泥漿結合，提高混凝土的抗壓強度。以C30和C40為背景，C30抗壓強度比普通混凝土提高29.3 %，C40比普通混凝土提高23.5 %，而且增加了鋼筋與混凝土的握裹力，從而提高其抗拉強度。孔隙比較大，質量較輕，有效地減輕了混凝土的重量，從而增加了房屋結構的承載能力。汪杰等[7]對高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁進行正截面抗彎性能試驗，表明高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁在相同條件下的性能比普通混凝土梁好，剛度比普通混凝土梁大，受彎時撓度變形比普通的小。

2.2經濟性

用高爐渣作扁梁的粗細骨料，價格比普通的石子和砂子便宜，節約了成本。高爐渣在混凝土中的應用解決了高鈦型高爐渣的堆積問題，節約了處理工業廢渣的經費，創造了不俗的經濟利益和社會效益。

3　結束語

高爐渣扁梁結構具備普通混凝土扁梁的優點，在高層建筑中的運用可以大幅減少房間的死空間，改善室內環境和有利于實現強柱弱梁、強剪弱彎等抗震設計。充分利用回收了攀鋼集團產生的工業廢棄物，解決了高爐渣的堆積問題，具有良好的綜合技術經濟效果。

[1]孫金坤. 全高鈦重礦渣混凝土應用基礎研究[D].重慶： 重慶大學，2006.

[2]黃雙華，陳偉，孫金坤，等. 高鈦高爐渣在混凝土材料中的應用[J].新型建筑材料，2006(11) : 71-73.

[3]肖斐. 鈦渣混凝土性能的研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[4]汪杰，黃雙華，汪軍華,等. 高鈦重礦渣再生混凝土軸心抗壓強度試驗研究[J] . 山西建筑， 2014(2).

[5]陳偉，黃雙華，孫金坤，等. 高鈦高爐渣鋼筋混凝土梁正截面強度試驗研究[J].四川建筑科學研究，2009(4) : 51-53.

[6]汪杰. CFRP加固不同損傷高鈦型高爐渣混凝土梁試驗研究[D] .成都:西華大學， 2014.

[7]汪杰，徐曉倩，黃雙華. 高鈦型高爐渣受彎構件正截面抗彎性能研究[J].施工技術，2015(S1):513-515.

[8]汪杰，黃雙華，魏建貴，等. 高鈦型高爐渣再生混凝土抗壓性能試驗研究[J].四川建筑科學研究，2015,41(3).

[9]GB 50010-2011 混凝土結構設計規范[S] .

[10]GB 50011-2011 建筑抗震設計規范[S] .

[11]姚春燕. 寬扁梁結構設計研究[J] .四川建筑，2014(2).

[12]傅學怡. 實用高層建筑結構設計[M]. 2版. 北京：中國建筑工業出版社，2010: 514-517.

謝龍(1988～)，男，碩士研究生，研究方向為巖土與巖土特性。

TU375.1

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[定稿日期]2016-03-16