型鋼高強混凝土的應用和發展

歐陽光，黃賓，秦紅軍，秦如心

（1重慶大學土木工程學院，重慶 400045；2重慶建工集團總承包公司，重慶 401122；3四川省宜賓市建設工程質量安全監督站，四川宜賓 644000；4重慶市興隆建設工程監理有限公司，重慶 400011）

型鋼高強混凝土的應用和發展

歐陽光1,2，黃賓3，秦紅軍2，秦如心4

（1重慶大學土木工程學院，重慶 400045；2重慶建工集團總承包公司，重慶 401122；3四川省宜賓市建設工程質量安全監督站，四川宜賓 644000；4重慶市興隆建設工程監理有限公司，重慶 400011）

隨著現代社會的高速發展，高層建筑不斷增加，各種復雜的建筑結構和異性結構也日益增多，重載、大跨、高聳是現代建筑的發展趨勢，因此框架柱承受的軸向荷載也越來越大。型鋼高強混凝土結構是一種新型的結構形式，它將型鋼和混凝土結構有機地結合在一起，兩者“優勢互補”，結構構件的延性（塑性變形能力）將會得到顯著改善，建筑結構的整體抗震性能（抵抗地震的能力）也將得到明顯提高。同時，該結構體系的正確選用，既可減輕建筑結構自身重量，還可節約鋼材用量，社會效益、環境效益、經濟效益等綜合效益將得以凸顯。因此型鋼和高強混凝土的結合相得益彰，堪稱完美，該結構體系必將有著更加廣泛的應用和發展前景。

型鋼高強混凝土；型鋼混凝土；高強混凝土；結構延性；抗震性能

0 引言

近年來，我國高層建筑的建筑規模漸居世界前列[1]。建筑高度的不斷增加，體型和結構形式的日趨復雜，重載、大跨、高聳的發展趨勢，使框架柱承受的軸向荷載也越來越大。

延性是結構抗震性能的一個重要指標，在抗震設計中必須保證結構有足夠的延性。我國建筑結構設計規范[2-4]規定了框架柱軸壓比限值，在柱子軸向力不斷增大的情況下，框架柱的截面面積也隨之不斷增大，使用空間不斷減小，使用功能也將受到不同程度的影響。同時，從抗震性能方面進行分析研究，在這種情況下，框架柱極易形成短柱，對抗震不利。因此普通的鋼筋混凝土結構已不滿足現代建筑的發展要求。

高強混凝土框架柱可以在一定程度上減小框架柱的截面尺寸，但在高軸壓比的情況下具有延性差、脆性高的特點，因此在高烈度地震設防區的應用受到限制。

型鋼高強混凝土結構是一個組合結構，型鋼可改善結構延性，提高抗震性能，高強混凝土可減小構件截面尺寸。由于其發揮了型鋼和高強混凝土各自的優勢，從而具有良好的延性和較高的承載力，因此特別適用于地震區的高層建筑抗震設計。

1 高強混凝土的特點及應用

高強混凝土采用常規的生產工藝，以水泥、砂、石、水作為原材料，以活性礦物材料或外加劑為摻和料，通過均勻攪拌形成拌合物，在澆筑成型后，采取保溫、保濕等措施，通過不斷的養護，硬化后形成具有高強特征的水泥混凝土。

根據強度等級進行劃分，并結合我國工程建設的實際情況，C50及C50以上的混凝土一般定義為高強混凝土。世界各國對高強混凝土的強度等級也進行了類似的定義，如美國（ACI）、日本、歐洲（CEB－FIPMC90）等國的混凝土規范，對高強混凝土的定義范圍，與我國的定義標準大體一致。

高強混凝土 （High Strength Concrete，HSC）具有高強特性，同時也具有普通混凝土所不具有的一些特點：如抗壓強度高、持久強度系數高、徐變系數小，抗滲、耐磨、抗腐蝕，特別適用于荷載大的建筑結構和惡劣的氣候環境。因此，高強混凝土必將在橋梁和建筑結構中得到更加廣泛的應用，必將會成為21世紀現代建筑重要的材料之一[7-10]。

美國、澳大利亞、加拿大、德國和日本等國，都對高強混凝土進行了系統的試驗研究和理論分析，在實際工程應用方面，都取得了不菲的成果。特別是美國，不管是在高強混凝土的研發方面，還是在工程應用方面，其科技實力和技術水平都居世界領先地位[11]。

1965年，位于美國芝加哥的湖心大廈，總高70層，下層柱設計采用強度等級為C65的高強混凝土，是最早應用高強混凝土的高層建筑；芝加哥廣場大廈于1975年建成，總高262m，79層，從地下室到第25層柱混凝土相當于C70的高強混凝土；而在1988年和1989年建造的太平洋第一中心大廈和西雅圖雙聯大廈是世界上高強混凝土強度等級使用最高的，強度等級高達C135，其結構形式均采用鋼管混凝土柱[12]。

多倫多的蒙特利爾銀行大廈是加拿大最高的鋼筋混凝土房屋建筑，建筑面積22.9萬m2，69層，建筑總高度為275m，底層框架采用強度等級約為C80的高強混凝土。

法蘭克福有歐洲最高的鋼筋混凝土結構建筑，該建筑總高度為186m，底層框架柱使用的高強混凝土等級約為C80。

由于日本特殊的地理位置，多地震是日本必須面對的地質災害之一。因此，鋼筋混凝土高層建筑的建造在日本曾經受到嚴格的限制。但隨著科學技術的不斷成熟和進步，近年來，限制條件有逐步放松的趨勢，高層建筑有逐漸發展的勢頭。如日本建筑中心高層建筑評定委員會在1989年、1990年、1991年這三年間，進行審查的高層建筑數量呈逐步增加的態勢。1989年審查的建筑數量為8棟，而在1990年審查的建筑數量為14棟，較1989年增加75%；1991年審查數量為22棟，較上年增加57%。混凝土強度等級最高一般為C60。現在，超高強混凝土超高層建筑的技術研究和理論分析在日本國內受到普遍重視，日本為此投入了大量的人力、財力、物力及各種所需資源。有的試驗高強混凝土強度等級高達C120～C150[12]。

上世紀70年代，我國對HSC的研究工作才處于起步階段。清華大學土木工程系通過不斷的試驗分析和理論總結，抗壓強度為100N/mm2的高強混凝土得以研制成功。并結合工程實際，通過各方共同努力，成功的施工出了抗壓強度為80N/mm2的高強混凝土[13]；上世紀80年代，重慶大學B區（原重慶建筑大學）的蒲心誠教授，通過不斷試驗、分析和總結，采用堿礦渣混凝土技術研制出了28d抗壓強度為117.0 N/mm2的高強混凝土[14]。

高強混凝土在我國也得到了廣泛應用。北京、廣東等地都有HSC高層建筑。我國最早應用高強混凝土施工技術的超高層建筑是北京新世紀飯店和廣州國際大廈。北京新世紀飯店，建筑總高度為110m，共31層，10層以下柱混凝土強度等級設計為C60，而28d的實際混凝土強度已達到了設計值，甚至已超過了C70；位于廣東省的廣州國際大廈，建筑總高度為200m，屋頂停機坪采用C60的高強混凝土。

高強混凝土在我國也得到了一定的發展，在北京、上海、重慶、廣東等地，新建的高強混凝土建筑不斷出現，數量越來越多，規模也越來越大。但是，由于起步較晚，發展較為緩慢，總體來說，我國對高強混凝土的使用還不夠普遍，強度等級也不夠高。

高強混凝土雖然具有高強的特性，能有效減小結構構件的截面尺寸，對使用功能有利，但是也有很多不足之處：

（1）對原材料的選擇、生產環節、運輸過程、施工工藝等方面的要求高。合格的水泥、骨料、外加劑是質量的首要保證；其次是生產、運輸、施工的所有環節都要仔細計劃和認真檢查。任何一個環節都不能出現問題，否則質量將得不到保證。

（2）高強混凝土結構的計算模型，如果采用普通混凝土的計算模型和結構理論，那么高強混凝土結構的安全度會降低，結構的安全性將得不到保證[15]。通過多次試驗證明，高強與普通混凝土的受壓應力應變曲線顯著不同，差別很大，較低強度的普通混凝土與高強混凝土的試驗基礎就不一致，普通混凝土的構件計算公式是否適用于高強混凝土，也只有進行試驗研究才能得出結論。

（3）延性差。一般來說，高強混凝土強度高，脆性大，塑性變形小，延性低。為了增加結構延性，除了加強建筑的構造措施，選用型鋼高強混凝土的結構體系也是一個很好的解決辦法。

（4）高強混凝土，特別是C70以上的高強混凝土，隨著混凝土抗壓強度的提高，抗拉、抗剪強度與抗壓強度的比值會隨之降低，脆性顯著增大，延性也會越來越差，不利于結構抗震。

總體來說，高強混凝土的應用是目前的發展趨勢。但為了克服固有的延性差的缺點，同時又能充分發揮其抗壓高強的優勢，必須建立一個新的結構體系。因此，型鋼高強混凝土結構體系就有了存在的基礎和發展的前提，其發展可謂是水到渠成，時代所需。

2 型鋼高強混凝土的特點、應用及發展

型鋼混凝土組合結構（Steel Reinforce Concrete Composite Structures，SRC）是指在混凝土結構內配置型鋼（軋制或焊接成型）和鋼筋（主筋和箍筋）的結構體系[16]。

該結構體系配置的型鋼主要有兩種形式，一種是實腹式型鋼，一種是格構式的鋼構件。

由于型鋼的存在，型鋼與混凝土各盡所長、取長補短，大大的改善了結構構件的延性，使結構的抗震能力得到很大程度的提高。SRC框架柱主要截面形式見圖1。

圖1 SRC框架柱主要截面形式圖

日本從1920年就開始對SRC結構進行試驗研究，屬于較早研究應用SRC結構的國家之一。日本早期典型的全SRC結構當數1923年建成的興業銀行。

日本于1950年頒布的建筑基本法，用行政法律的形式明確了6層以上的建筑物須采用SRC結構。其后，多次調整采用SRC結構的樓層范圍。1953年調整為7層以上，1970年又調整為8層以上。

日本采用SRC結構的建筑物數量及建筑面積增長迅速。根據1985年的統計數據表明，采用SRC結構的建筑面積與建筑總面積的比率已經超過了50%，達到62.8%；高層建筑中（10-15層），SRC結構建筑物數量與建筑物總數量的比率更是高達90%左右[17]，歐美等國家于上世紀初開始對型鋼混凝土結構進行了系統的研究和工程實際運用。1908年，Burr對空腹式型鋼混凝土柱進行多次的試驗研究，并進行不斷的分析和總結。研究表明，型鋼外包鋼筋混凝土結構能提高整個柱子的強度和剛度。此后，加拿大、美國、英國的學者也進行了大量的試驗研究。

我國運用型鋼混凝土的歷史，應該追溯到上世紀50年代。當時主要依據的是前蘇聯型鋼混凝土結構設計計算方法，工業廠房的構件開始局部采用型鋼混凝土結構。

上世紀80年代，我國開始對型鋼混凝土結構進行系統研究。此后，型鋼混凝土結構的應用也逐步由廠房向高層、超高層建筑發展。

上海瑞金大廈(28層)、北京長富飯店(27層)、北京香格里拉飯店(24層)等高層建筑是國內應用型鋼混凝土的典型。

型鋼高強混凝土結構 （Steel High—Strength Reinforced Concrete，HSRC）是指在型鋼周圍配置構造鋼筋（主筋和箍筋）并澆筑高強混凝土的組合結構，是型鋼與高強混凝土密切聯系、緊密結合的產物。

分析其受力特性，高強混凝本身具有很高的抗壓強度，但抗拉強度低，且脆性大，塑性變形小，延性低，抗震性能差。型鋼本身具有抗拉、抗壓強度高和延性好的特點，將型鋼放置到高強混凝土構件中，對改善結構構件的延性有重要作用，能顯著提高結構的抗震性能。同時，型鋼和高強混凝土優勢能各盡所長，使鋼材用量得以節約，結構自重得以減輕，從而取得良好的綜合效益。

高強混凝土具有高強、不易離析的特點，界面（鋼材和水泥漿接觸面）粘結性能好，握裹力大，因此型鋼和高強混凝土結合更加緊密，有很好的協同工作能力。其優點表現在如下方面：

（1）HSRC結構實際上是高強混凝土和鋼結構的組合結構。內置型鋼具有良好的變形性能和抗拉強度，能有效彌補高強混凝土脆性大、延性差的固有缺陷。同時，高強混凝土發揮抗壓高強的優點。因此，綜合抗震能力強是HSRC結構最顯著的特點。

（2）與鋼結構相比，HSRC結構克服了普通鋼結構的不足和缺陷。普通鋼結構存在防火難、易腐蝕的缺陷，型鋼外包鋼筋混凝土結構，可起到保護層的作用，能有效地解決這個問題；普通鋼結構易于受壓失穩，HSRC結構能提高整體穩定系數，解決受壓失穩的問題；HSRC結構的承載力更高，可以節約鋼材，成本可控。

（3）與高強混凝土結構相比，HSRC結構抗震性能良好。高強混凝土的缺點，如抗拉強度低，且脆性大，塑性變形小，延性低，抗震性能差，在采用HSRC結構后，都能得到有效的解決。

（4）與普通型鋼混凝土相比，HSRC結構更具優勢，特別適用于超高層建筑。HSRC結構內置型鋼起固定和強大的骨架支撐作用，高強混凝土能承受比普通混凝土更大的上部荷載，因此更適用于重載、大跨、高聳的現代超高層建筑。

（5）高強混凝土具有密實度高的特點，抗凍、抗腐蝕、抗滲，耐久性好，因此HSRC結構適用于各種惡劣的環境和條件。

（6）HSRC結構在施工過程中，由于高強混凝土具有早強的特點，進度能夠得到保障，從而保證工期。

隨著建筑業的迅速發展，我國鋼產量逐年提高，型鋼混凝土結構的發展面臨著發展機遇和時代挑戰。目前，在北京、上海、廣州、深圳等地，型鋼混凝土結構得到了廣泛的工程應用。所采用的高強混凝土的強度等級都在不斷的提高，如中國國際貿易中心、中國大飯店、北京新世紀大廈，上海的瑞金大廈和天目廣場等，深圳的發展中心大廈和鴻昌大廈，其下部結構的型鋼混凝土柱普遍采用C60及以上的高強混凝土。

國家建設部于2002年頒發了中華人民共和國行業標準《型鋼混凝土組合結構技術規程》(JGJ138－2001、J130-2001)，以此來規范型鋼混凝土行業的發展。在該技術規程中，高強混凝土的最高等級為C60，而對于C60以上的高強混凝土，無任何具體的技術闡述、規定和說明[16]。在規程后面的條文說明中，由于對C70以上的型鋼混凝土組合結構的研究不足，對其信息掌握有限，因此，C70～C80的高強混凝土，必須通過充分的實驗研究，有可靠的研究成果做技術支撐，方可使用。而對于C80以上的高強混凝土則未作考慮。

HSRC除了上述的優點外也一些不足，主要表現在以下幾個方面：

（1）施工工藝十分復雜，施工質量要求特別高。

（2）型鋼混凝土特別是型鋼高強混凝土結構的受力機理還不十分明確，設計及計算理論也有待進一步完善。

（3）型鋼高強混凝土結構造價較高，推廣范圍有限，不便于大范圍推廣，特別是推廣到普通住宅有很大的局限性。

3 結論

對于普通混凝土的實驗研究，我們已經建立起了一套完整的計算方法和設計理論。但由于普通混凝土和高強混凝土性能的差異性，使得SRC結構與HSRC結構在計算方法、抗震性能等方面都不盡相同。因此，必須通過不斷的實驗研究，才能建立起HSRC結構系統的計算方法和設計理論。

HSRC結構已經受到了世界各國的普遍關注。因此，HSRC結構將會迎來更加廣闊的發展和應用空間。考慮到對型鋼高強混凝土研究的范圍、方向和深度，進一步推廣其應用，主要應在如下幾個方面加強研究：

(1)型鋼高強混凝土結構的疲勞破壞機理研究。

(2)型鋼高強混凝土結構體系地震反應分析以及隨機振動分析。

(3)型鋼高強混凝土結構的彈塑性動力試驗研究。

(4)型鋼高強混凝土結構體系基于抗震性能設計和隨機振動的概率可靠性研究。

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Application and Development of SteelReinforced High-strength Concrete

With the rapid developmentofmodern society,high-rise buildings,along with various complex structures and anisotropic structures are increasingly established.Heavy load,large span and high-riseare the developmental trend ofmodern buildings.Therefore,theaxial load of frame columns isalso grow ing.Steel reinforced high-strength concrete,anew structural form,combines steeland concrete organically,significantly improving the ductility and seism ic performance of the structure.Furthermore,the proper application of steel reinforced high-strength concrete can not only reduce the structuralweight,but also saves steel.Thus econom ic benefits,environmental benefits and social benefits are gained.So steel reinforced high-strength concrete should bew idely applied in future.

steel reinforced high-strength concrete;steel reinforced concrete;high-strength concrete;structuralductility；seism ic behaviour

TU377

A

1671-9107（2012）10-0056-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2012.10.056

2012-06-13

歐陽光（1979-），男，重慶開縣人，工學碩士，一級注冊建造師，工程師，主要從事建筑工程項目管理。

孫蘇