鋼纖維混凝土在高層建筑抗震結構中的應用探究

葉子超

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摘要：本文主要從鋼纖維混凝土粱柱節點的應用研究、鋼纖維混凝土增強聯肢墻洞口連粱的應用、鋼纖維鋼筋高強混凝土拄延性的應用、鋼纖維混凝土在樁基承臺和筏形基礎中的應用以及鋼纖維混凝土在屋面板中的應用這五方面對鋼纖維混凝土在高層建筑抗震結構中的應用進行分析。

關鍵詞：鋼纖維混凝土；高層建筑；抗震結構

前言

高層建筑在我國發展迅速，已建成的高層建筑中，大部分采用鋼筋混凝土結構和鋼-混凝土混合結構，在今后一段相當長的時間內，混凝土材料仍是高層建筑結構中的主要材料。混凝土的自重大，脆性大，抗拉強度低，對抗震不利，在高層建筑結構中其不利影響更加突出。為使結構達到抗震設防目標，抗震結構應具有良好的整體抗震性能，即應具備足夠的承載力、剛度和延性，結構的延性設計是高層建筑結構抗震設計的重點和難點，必須采取綜合措施才能實現良好的延性。研究證明，在高層建筑結構中局部采用鋼纖維混凝土是改善結構延性、提高抗震性能的有效途徑之一。作為一種復合材料，鋼纖維混凝土主要是通過在混凝土中摻入適量鋼纖維，經過拌和凝結而成。與傳統混凝土相比，鋼筋纖維混凝土不僅抗拉強度更大，而且混凝土構件的抗裂耐久能力也更好，能夠加強混凝土的延展性；另外，鋼纖維混凝土能量吸收效果也比較好，抗沖擊能力很強，對于高層建筑結構的抗震性也有很大的幫助和提高，是近年來逐漸推廣的混凝土復合材料。

一、鋼纖維混凝土的性能

鋼纖維混凝上（Sreel Fiber Reinforced Concrete簡稱SFRC）是在普通混凝土中摻人亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料，這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內部微裂縫的擴展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。以下是對鋼纖維混凝土的性能進行分析。

（一）鋼纖維混凝土的增強機理

復合力學理論和纖維間距理論是鋼纖維混凝土增強機理的主要研究理論。雖然這兩種理論對鋼纖維對混凝土的增強作用是從不同角度的去解釋的，但是其結果都是為了解釋鋼纖維對混凝土的增強機理。

（二）鋼纖維混凝土的抗壓陸能

鋼纖維混凝土的抗壓性能的影響因素也很多，主要有：鋼纖維體積率、鋼纖維長徑、基體水灰比和水泥用量、砂率、粗集料粒徑等。實踐證明。混凝土抗壓性能的大小主要取決于基體性能的條件是：鋼纖維含量參數要適當，混合料要均勻攪拌成型。因此，鋼纖維并不是在所有的情況下都有利于提高混凝土的抗壓性能，有時還會因為纖維的存在使得抗壓性能反而降低?；炷量箟罕讳摾w維破壞，但是被破壞后還不會散，因此提高了抗壓韌性。

（三）鋼纖維混凝土的抗拉性能

抗拉強度是確定混凝土抗裂度的重要指標，鋼纖維混凝土的抗拉強度要比普通混凝土的抗拉強度高25%-50%。影響鋼纖維混凝土的抗拉強度的因素有很多，例如水灰比、集料最大粒徑、纖維的分布和取向等各種因素。在荷載方面，鋼纖維混凝土極限荷載和開裂荷載不同，其要比開裂荷載大，而普通混凝土的開裂荷載和極限荷載基本相同。鋼纖維混凝土在最大荷載后可能已存在裂縫，

鋼纖維體積率越大，初裂荷載、極限荷載以及韌性也就越大，初裂荷載和極限荷載的比值一般在0.8—1.0之間。如果鋼纖維體積率相同，那么抗拉強度就只受鋼纖維長度影響，即鋼纖維長度增加，抗拉性能就會提高；如果鋼纖維的體積率和鋼纖維的長度都相同時，鋼纖維直徑和抗拉強度成反比，也就是說，鋼纖維直徑越小，抗拉強度就越高。

（四）鋼纖維混凝土的抗剪性能

鋼纖維混凝土的抗剪性能要比普通混凝土的抗剪性能高50%-100%，鋼纖維混凝土在基體錯動后承載能力并沒有消失，這又是一個優于普通混凝土的特點。關于混凝土復合材料抗剪強度的測試，國內外尚無統一的儀器和方法。從試驗結果可以看出，抗剪強度隨水灰比的減小而增大，隨鋼纖維體積率的增加而增大。

（五）鋼纖維混凝土的彎曲性能

鋼纖維混凝土的抗彎強度要比普通的抗彎強度要高40%-80%。鋼纖維混凝土承受彎曲應力主要是在路面、橋面、機場跑道的應用中。鋼纖維混凝土的韌性也比普通混凝土的韌性要高，鋼纖維在試件破壞時受拉區它是從混凝土中拔出而不是拉斷。其實，混凝土抗折強度受諸多因素的影響，主要有：構件的截面形狀、尺寸和高度、混凝土標號、混凝土集料性質和組成、養護情況以及混凝土的收縮和徐變等。

（六）具有卓越的抗沖擊性能

所謂沖擊韌性是指材料在受到外力的打擊或是沖撞時它所能抵抗破壞的能力。鋼纖維混凝土的沖擊抗壓韌性是普通混凝土的沖擊抗壓韌性的2-7倍，并且沖擊抗彎、抗拉等韌性可提高幾倍到幾十倍。

二、鋼纖維增強混凝土的基本理論

（一）復合力學理論復合力學理論是以連續纖維復合材料理論為基礎，結合鋼纖維在混凝土中的分布特點形成的。該理論是將復合材料視為以纖維為一相，基體為另一相的兩相復合材料。

（二）纖維間距理論。纖維間距理論又稱纖維阻裂理論，是1963年由J.P.Romualdi和J.B.Batson提出來的。該理論根據線彈性斷裂力學理論解釋纖維對裂縫發生和發展的約束作用，認為欲增強混凝土這種本身帶內部缺陷的脆性材料的抗拉強度，必須盡可能地減少內部缺陷的尺寸，提高韌性，降低裂縫尖端的應力強度因子、減少裂縫尖端的應力集中作用，故在裂縫處用纖維連接，受拉時跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的上下表面，使裂縫處材料仍能繼續承載，這樣，因裂縫的出現孔邊應力集中程度就緩和，隨著橋接裂縫纖維數目的增多，纖維間距越小，緩和裂縫尖端應力集中程度越大，對裂縫尖端產生的反向應力場也越大，當纖維數量增加到密布于裂縫時，應力集中就會消失，進一步表明纖維的阻裂效應，即在復合材料結構形成和受力破壞的過程中，有效地提高了復合材料受力前后阻裂引發與擴展的能力，達到鋼纖維對混凝土增強與增韌目的。

（三）界面應力傳遞的剪滯理論。鋼纖維混凝土中鋼纖維周圍的水泥基體結構與自身結構是不相同的，即在鋼纖維與基體之間存在著界面層。鋼纖維混凝土的性能主要取決于混凝土基體性能、鋼纖維含量以及它們之間的界面特性。假定界面是一層厚度可以忽略的薄層，但具有一定的力學性能。當荷載作用于鋼纖維混凝土時，荷載一般先施加于低彈性的基體，然后通過纖維-基體的界面，把一部分荷載傳遞給高彈模的纖維，使纖維和基體共同承擔荷載，從而起到增強的作用。

三、鋼纖維混凝土在高層建筑抗震結構中的應用

鋼纖維混凝土作為一種新型復合材料，以其優良的抗拉、抗彎、阻裂、耐沖擊、耐疲勞、高韌性等物理力學性能，目前已被廣泛應用于建筑工程、水利工程、公路橋梁工程、公路路面和機場道面工程、鐵路公程、管道工程、內河航道工程、防暴工程和維修加固工程等各個專業領域。

（一）鋼纖維混凝土梁柱節點的應用研究

鋼纖維混凝土的抗震實驗是上世紀70年代由國外研究者進行的，實驗結果證明。無論是在強度、剛度、耗能力方面，還是在梁鋼筋粘結錨固方面，鋼纖維混凝土梁柱結點要比普通混凝土梁柱節點改善很多，并且與框架相比，耗能能力提高]30%，結構的延性提高57%，除此之外，荷載循環次數也提高了15%。箍筋可由鋼纖維混凝土梁柱節點的框架替代，從而有利于節點區的抗震性能的改善，又有利于解決節點區鋼筋過密和施工困難等問題。

近幾年來，在我國高層建筑中扁梁結構已經廣泛應用，扁梁寬度要比其高度大，有時也要比柱的寬度還要大，我國對扁梁柱節點的抗震性還要