型鋼活性粉末混凝土柱抗震性能研究綜述★

王 琨，徐冠普，李新宇，時(shí)金雨

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127; 2.江蘇邗建集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

型鋼混凝土柱是指在普通鋼筋混凝土柱中采用增配型鋼以有效地減小柱構(gòu)件的截面尺寸,增大柱構(gòu)件的剛度與承載力的一種新型構(gòu)件類型,已在大跨、重載等各種主體結(jié)構(gòu)中研究并得到了廣泛應(yīng)用。但是，隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)逐漸朝著超高、超大規(guī)模的方向發(fā)展,并且在易于凍融和易于受水侵蝕的環(huán)境中也廣泛應(yīng)用,混凝土在力學(xué)性能和耐久性能上都提出了新的技術(shù)要求。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)作為高性能混凝土,由于其較好的抗震性能、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐久性、延性等許多重要優(yōu)點(diǎn)而在建筑工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的技術(shù)應(yīng)用[1-3]。本文主要結(jié)合了普通的型鋼混凝土和活性鋼與活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)的各自獨(dú)特之處,將對RPC的研究應(yīng)用到普通型鋼混凝土柱中，這種采用新材料工藝的型鋼結(jié)構(gòu)柱可以有效減小柱截面尺寸、提高截面的承載能力以及具有較高耐久性能等優(yōu)點(diǎn)。

1 活性粉末混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 活性粉末混凝土的研究歷史

我國對活性粉末混凝土的研究開始于21世紀(jì)初。湖南師范大學(xué)的何峰教授于2000年通過實(shí)際科學(xué)試驗(yàn)深入地分析研究了各種原材料品種、性質(zhì)和其配合比對RPC整體的抗壓強(qiáng)度的直接影響，在未摻鋼纖維材料的高溫養(yǎng)護(hù)條件下RPC的抗壓強(qiáng)度一般都可以保證達(dá)到229 MPa，同時(shí)還能夠使其具備較好的流動(dòng)性；在摻鋼纖維材料以及相同高溫養(yǎng)護(hù)條件下，其RPC的抗壓強(qiáng)度可以高達(dá)298 MPa。

2020年，徐錦超、薛文等[4]開展交叉對照試驗(yàn)來優(yōu)化活性粉末混凝土配合比。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于河砂，使用石英砂的RPC的抗壓強(qiáng)度提升了23%；選用較低鋁酸三鈣含量的水泥有利于提升混凝土早齡期抗壓強(qiáng)度；80 ℃的熱水養(yǎng)護(hù)條件能有效地增強(qiáng)粉煤灰的活性，提高混凝土早期水化程度，使RPC的抗壓及抗折強(qiáng)度在3 d齡期內(nèi)快速提升。

2020年，王秋維、史慶軒等[5]基于最緊密堆積原則對RPC配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，對RPC在熱水養(yǎng)護(hù)制度下的抗壓性能和變形特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，水膠比、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)和硅灰摻量對RPC抗壓強(qiáng)度影響較大，立方體抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的降低而減小和鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)水膠比中硅灰摻量降低到25%時(shí)，RPC的立方體抗壓強(qiáng)度最高，最后提出一種邊長為100 mm的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值作為主要依據(jù)的RPC強(qiáng)度等級劃分方法。

2021年，楊立云等[6]采用三維數(shù)學(xué)圖像相關(guān)方法對不同玄武巖纖維摻量下的活性粉末混凝土進(jìn)行單軸壓縮破壞過程觀測，結(jié)果表明，RPC破壞過程大致可以劃分為4個(gè)階段，即原生裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋加速擴(kuò)展階段，隨著玄武巖纖維摻量的增加,破壞模式逐步從拉剪破壞轉(zhuǎn)入到剪切破壞。

1.2 活性粉末混凝土柱的研究現(xiàn)狀

活性粉末混凝土具有超高強(qiáng)度、高韌性、高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滯回性能與普通混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比具有不同的特點(diǎn)。2004年，趙冠遠(yuǎn)等[7]通過4個(gè)小比例RPC矩形截面柱的擬靜力試驗(yàn)來分析配箍率對RPC配筋柱延性的影響，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，構(gòu)件在總體設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)了良好的滯回性能以及強(qiáng)度衰減緩慢，表明RPC具有較好抗震性能；在保證縱筋的屈服強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度的情況下，在實(shí)際工程中可以大幅度減少縱筋以及箍筋的數(shù)目，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2013年，鞠彥忠、王德弘等[8]考慮了軸壓比、縱筋配筋率、配箍率以及鋼纖維體積含量對18根活性粉末混凝土柱的抗震進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)。研究表明，在試驗(yàn)軸壓比范圍內(nèi)，軸壓比越大，活性粉末混凝土配筋柱的承載能力就越高，同時(shí)相比于低軸壓比試件，高軸壓比試件破壞時(shí)塑性區(qū)高度更高；配筋率和配箍率對試驗(yàn)柱的抗震性能具有顯著影響，隨著配筋率和配箍率的增加，活性粉末混凝土配筋柱具有更加飽滿的滯回曲線，延性性能及耗能能力均有所改善。

1.3 RPC的應(yīng)用

目前，我國RPC主要廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁。2008年，在薊港鐵路北塘西至東大沽擴(kuò)能改造工程中，采用高度1 800 mm、跨度32 m的T形RPC梁，成功解決了受苛刻實(shí)地條件影響線路跨線凈高受限的問題[9]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王德弘等[10]將RPC運(yùn)用于混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回性能的研究中，發(fā)現(xiàn)RPC中的鋼纖維有效地抑制核心區(qū)混凝土的剝落，使試件依然具有完整性，同時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的力學(xué)性能。同時(shí)，因?yàn)榛钚苑勰┗炷两Y(jié)構(gòu)具有很高的承載能力，構(gòu)件的截面尺寸得到了進(jìn)一步減小，大大增加了建筑的使用空間；混凝土的用量大幅度減小，對環(huán)境起到了良好的保護(hù)作用。

2 型鋼混凝土柱抗震性能研究現(xiàn)狀

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是將型鋼和鋼筋混凝土優(yōu)化組合在一起而形成的新型組合結(jié)構(gòu)體系[11]。我國對型鋼混凝土的研究較晚，近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在理論研究和工程應(yīng)用中得到迅速發(fā)展。

2018年，楊怡亭等[12]對已完成試驗(yàn)的7根型鋼混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的受力性能進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，大剪跨比、低軸壓比、高配箍率及高含鋼率的高強(qiáng)型鋼混凝土柱滯回環(huán)更趨于較為飽滿的梭形，試件的極限變形能力更強(qiáng)，隨著配箍率和含鋼率的提高，試件的極限承載力和延性性能均有所提高，且變化幅度均較小。

2020年，栗莎、賈小盼[13]利用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法來研究2種新型截面型鋼混凝土柱的抗震性能。采取有限元軟件ABAQUS建立了型鋼混凝土柱模型,分析了型鋼混凝土柱在低周反復(fù)載荷作用下的抗震性能,并與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互對比,驗(yàn)證了所建有限元模型的適用性與正確性。在此基礎(chǔ)上,通過大量的數(shù)值模擬,并與普通型鋼混凝土柱相比較,得出2種新型型鋼混凝土柱抗震性能均明顯優(yōu)于普通型鋼混凝土柱,尤其是對角布置十字型鋼可使型鋼充分發(fā)揮作用,在很大程度上改善了構(gòu)件的抗震性能。

2020年，劉祖強(qiáng)、周昕等[14]通過試驗(yàn)理論研究和有限元模擬相結(jié)合的研究方法深入分析了配鋼率對于試件抗震性能的直接影響，結(jié)果表明，配鋼率增加可以有效抑制混凝土裂縫的開展，延緩了試件的破壞，隨著配鋼率的增加，試件的滯回環(huán)面積越來越大，承載力顯著提高，延性有明顯改善，剛度變化變緩，但耗能能力變化較小。

2021年，張琪等[15]對6根采用不同區(qū)域約束混凝土的型鋼混凝土柱進(jìn)行擬靜力往復(fù)荷載對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，型鋼區(qū)域約束混凝土柱受力均勻，能有效地抑制貫通斜裂縫的發(fā)生，有效地避免脆性剪切破壞，同時(shí)型鋼區(qū)域約束混凝土柱在高軸壓比下具有良好的力學(xué)性能和抗震性能，宜加以廣泛推廣使用。

3 結(jié)語

1)相比于普通混凝土而言，活性粉末混凝土具有較高的強(qiáng)度、延性和耐久性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。但其制備工藝、養(yǎng)護(hù)工藝要求均較高，很難在實(shí)際工程中滿足這種最優(yōu)澆筑和養(yǎng)護(hù)條件，在中國的推廣應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究，來取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2)開展型鋼與活性粉末混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)后期柱型鋼翼緣處出現(xiàn)豎向裂縫，并不斷擴(kuò)展延伸，型鋼和混凝土之間將產(chǎn)生較大的相對滑移，因此有必要考慮型鋼混凝土柱在地震荷載作用下的黏結(jié)滑移問題，并建立相應(yīng)的黏結(jié)滑移分析模型。

3)本文簡要總結(jié)了對活性粉末混凝土的力學(xué)性能方面的研究以及RPC柱抗震性能研究現(xiàn)狀，分析了型鋼混凝土柱抗震性能，依據(jù)型鋼混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)，型鋼活性粉末混凝土柱的抗震性能的影響因素可以概括為以下幾點(diǎn)：軸壓比、配箍率和配筋形式、配鋼率及配鋼形式。為以后開展型鋼活性粉末混凝土柱抗震性能試驗(yàn)提供了很好的借鑒，能使型鋼活性粉末混凝土柱研究更加深入，并最終應(yīng)用于實(shí)際工程中。