鋼纖維增強混凝土異形柱節點的技術經濟分析

康麗華，張 帥，樊玉敬

（1.河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018；2.中扶建設有限責任公司山西第一分公司，山西太原 030000；3.河北省環境地質勘查院，河北石家莊 050021）

鋼纖維增強混凝土異形柱節點的技術經濟分析

康麗華1，張 帥2，樊玉敬3

（1.河北科技大學建筑工程學院，河北石家莊 050018；2.中扶建設有限責任公司山西第一分公司，山西太原 030000；3.河北省環境地質勘查院，河北石家莊 050021）

異形柱體系由于其自身截面特征，造成了節點的薄弱特性，阻礙了異形柱結構體系的發展。以天津市某住宅工程為背景，結合鋼纖維增強十字形異形柱節點的抗震性能試驗、鋼纖維混凝土的設計規定及施工規程，對鋼纖維增強型節點建筑進行經濟分析。

異形柱節點；鋼纖維；技術經濟分析

鋼纖維增強混凝土就是在普通混凝土中摻入一定量的短細鋼絲，攪拌均勻。在普通混凝土內摻入細鋼絲主要是改善它的力學性能，尤其是增強它的抗拉強度，推遲受拉裂縫的出現，對混凝土抗剪、抗沖擊及其他的性能也有顯著的提高［1］。

將鋼纖維增強混凝土應用到異形柱節點中，即在異形柱節點核心區澆筑鋼纖維混凝土，用以改善它的薄弱特性。目前，纖維增強型節點研究很多，但是鋼纖維以其優良的物理力學性能得到了研究者們的認可。鋼纖維混凝土雖然有很多優點但仍有許多問題需要研究。以鋼纖維增強混凝土異形柱節點試驗為依據，結合天津市某民用住宅，總結了鋼纖維混凝土的設計及施工規定，并對其進行了經濟分析，為這種結構體系的可行性研究奠定了基礎。

1 技術分析

1.1 鋼纖維混凝土的配合比設計

鋼纖維混凝土配合比設計應滿足結構設計要求的抗壓、抗拉強度，以及施工要求的和易性，特殊情況下，還應滿足抗凍、抗滲及耐腐蝕等要求［2］。

鋼纖維混凝土的水灰比宜選用0.45～0.50，水泥用量不應大于500 kg／m3，鋼纖維體積率不允許小于0.5%。

1.2 鋼纖維混凝土的攪拌

由于鋼纖維在混凝土中亂向分布，因此攪拌均勻是至關重要的。為防止在攪拌過程中出現鋼纖維自身的結團現象，如若出現這種情況不但不能使鋼纖維起到增強效果反而會使混凝土強度局部降低［1］。本試驗嚴格按照施工手冊規定的投料順序和拌制要點進行拌制，保證鋼纖維在混凝土中分布均勻。

1.3 鋼纖維混凝土的運輸

由于鋼纖維的加入，混凝土的塌落度要比普通混凝土小，所以不適合采用混凝土攪拌車運輸，可以用自卸汽車，鋼纖維混凝土中加入了HF-3減水劑，因此拌合、運輸和澆筑的過程一定要在規定時間內完成，施工速度要盡量加快［3］。在運輸的過程中要避免離析現象的發生。

1.4 鋼纖維混凝土的澆筑及振搗

鋼纖維混凝土的施工對施工速度要求較高，減水劑的加入使得它凝結固化比較快，因此施工速度要快，否則會造成凝結難以施工。同時為了保證鋼纖維在混凝土中的均勻分散性及整個結構的連續性，在同一構件中澆筑時不能中斷，澆筑過程若出現干澀現象也嚴禁加水。

鋼纖維混凝土應采用機械振搗，但是由于本工程在節點部位施工，所以，采用人工振搗。但是振搗過程也要防止鋼纖維起團和折斷，振搗時間比普通混凝土要長些，最后要以混凝土表面泛漿、不冒氣泡、表面均勻為準。

1.5 鋼纖維混凝土的技術特性

鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展。在受荷初期，混凝土基體與纖維共同承受外力，當混凝土開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優越的物理和力學性能［4－5］。

2 鋼纖維混凝土異形柱節點結構體系的綜合經濟技術分析

通過對4個鋼纖維混凝土異形柱節點做低周反復試驗，并與2007年所做的普通混凝土異形柱節點的抗震試驗結果［6］做對比，分析發現，澆筑鋼纖維混凝土的異形柱節點試件承載力較普通異形柱節點都有提高：極限荷載提高約10%，屈服荷載提高約17%，屈服位移提高約60%，極限位移提高約60%，耗能的提高不明顯。

以天津市某住宅為背景，計算由于節點核心區鋼纖維的加入所增加的材料費。

2.1 工程概況

本工程位于天津市，為民用住宅，建筑面積約為5 000 m2。建筑物為多層住宅樓，地上6層，層高3 m，建筑總高18 m。混凝土強度等級：C30；鋼筋種類：HPB235，HRB335，HRB400級鋼筋。陶粒空心砌塊填充墻，墻厚200 mm。

地質條件：土壤凍結深度0.8 m。地震動參數：設防烈度7度；設計基本地震加速度0.15 g；設計地震分組第1組；場地類別Ⅲ類。風荷載0.5 k N／m2，雪荷載0.4 k N／m2。建筑防火耐火等級為二級，屋面防水等級為三級。梁柱平面布置如圖1所示。

異形柱結構體系中，為保證結構側向剛度沿豎向均勻變化，避免豎向剛度突變及保證豎向傳力明確，框架柱宜上下對齊并且連續貫通［7－10］，肢厚不宜小于200 mm。由于本住宅建筑層數不高，為了方便計算，采用各層柱截面形式相同，截面統計如圖2所示。

柱布置位置如表1所示。

表1 柱的布置位置統計表Tab.1 Statistical table of column layout

圖1 梁柱平面布置圖Fig.1 Layout of beam column

圖2 柱的截面形式詳圖Fig.2 Detail of column section

異形柱框架結構中梁截面共計有200 mm×350 mm，200 mm×400 mm，200 mm×600 mm 3種。梁的分布情況如表2所示。

表2 梁的布置位置統計Tab.2 Statistical table of beam layout

2.2 材料增加費計算

標準層異形柱節點核心區的混凝土總體積為3.339 m3。

鋼纖維體積率為1%，在節點核心區澆筑鋼纖維混凝土，由此帶來的材料費用增加為

整個異形柱框架建筑的節點核心區澆筑鋼纖維混凝土帶來的材料費用增加為

鋼纖維的摻入所帶來的材料增加費在可以接受的范圍內，為了使結構有更好的性能，工程造價有所提高也有價值。

3 結 語

綜合技術與經濟的對比可以發現，雖然鋼纖維混凝土比普通混凝土的造價高，但是可以明顯提高混凝土的強度及抵抗變形的能力，增強異形柱框架結構在震害時的御害能力。整個建筑由于鋼纖維混凝土的加入只在原來工程造價的基礎上增加了約18 000元，可是帶來的效益卻是顯著的。首先，使得異形柱框架的節點薄弱性得到了改善，承載力和耗能能力都明顯提高。其次，促進了異形柱結構體系的推廣應用，使得異形柱結構體系的優勢充分發揮，實現了建筑利用率的提高和結構自重的減輕，同時能滿足人們對房間布置和造型的要求。

綜上所述，配筋鋼纖維混凝土異形柱結構體系比普通混凝土結構體系更先進，造價卻沒有太大提高，從可持續發展的角度分析，鋼纖維混凝土符合可持續發展的趨勢。

［1］張艷娟，翟曉靜，張慶宇.鋼纖維混凝土施工工藝探討［J］.黑龍江交通科技（Communications Science and Technology Heilongjiang），2009（5）：83.

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［3］張春新，溫少華，王勤旺.鋼纖維混凝土施工工藝簡析［J］.科技信息（Science ＆ Technology Information），2008（23）：117.

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［5］趙國藩，黃承逵.鋼纖維混凝土的性能和應用［J］.工業建筑（Industrial Construction），1989（10）：2-8.

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［7］蘇劍清.異形柱結構設計及應注意的若干問題［J］.廣東科技（Guangdong Science and Technology），2008，187：31-32.

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Technical and economic analysis of cross shaped column nodes of concrete reinforced by steel fiber

KANG Li-hua1，ZHANG Shuai2，FAN Yu-jing3
（1.College of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.The First Branch in Shanxi，Zhongfu Construction Limited Liability Company，Taiyuan Shanxi 030000，China；3.Environmental Geological Exploration Institute of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

The cross shaped columns nodes are weak for its own causes，hindering the development of special-shaped column structure system.With a residential project in Tianjin as the background，combining the seismic performance test of steel fiber reinforced a cross shaped column，the design requirements and the construction procedures，economic analysis of the steel fiber reinforced nodes are provided.

cross shaped column node；steel fiber；technical and economic analysis

TU415.6

A

1008-1542（2012）05-0475-04

2012-04-07；

2012-09-15；責任編輯：馮 民

河北省建工新產品試制費計劃項目（2010-101）

康麗華（1985-），女，河北衡水人，碩士，主要從事混凝土施工技術方面的研究。