高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁結(jié)構(gòu)的初探

謝　龍， 黃雙華， 鐘　菘， 段寒風(fēng)1,

(1. 西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 四川成都 610000；2. 攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)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(jié)構(gòu)的初探

謝龍1，2， 黃雙華2， 鐘菘1，2， 段寒風(fēng)1,2

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

隨著城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，普通扁梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用日趨普遍。攀西地區(qū)響應(yīng)國(guó)家對(duì)工業(yè)固體廢物的回收利用號(hào)召，對(duì)高鈦型高爐渣混凝土的力學(xué)性能進(jìn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，總結(jié)了其在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)越性與經(jīng)濟(jì)性。對(duì)高鈦型高爐渣混凝土扁梁結(jié)構(gòu)的研究是一個(gè)很有工程價(jià)值的課題。

高層建筑；高鈦型高爐渣混凝土；扁梁結(jié)構(gòu)

攀鋼集團(tuán)每年產(chǎn)生的高爐渣約400×104t，大量的高爐渣堆積易造成環(huán)境污染，也是對(duì)攀鋼二次資源的很大浪費(fèi)。十九冶建研究所及冶建總院對(duì)攀鋼產(chǎn)生的高爐渣的性能及應(yīng)用進(jìn)行基本試驗(yàn)，結(jié)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(xué)性能和質(zhì)量都能滿足規(guī)范要求。1985年攀鋼研究院采用轉(zhuǎn)鼓法將高爐渣作為原料干粒化并制砂作為混凝土的細(xì)骨料進(jìn)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(yàn),實(shí)驗(yàn)研究結(jié)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(xì)骨料是符合規(guī)范要求的。攀西地區(qū)對(duì)高鈦型高爐渣混凝土的研究已經(jīng)取得成果[1-4]。陳偉、汪杰、黃雙華等[5-8]對(duì)高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁進(jìn)行正截面抗彎性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了高鈦型高爐渣梁的平截面假設(shè)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]理論值的1.45倍，并對(duì)預(yù)留了高鈦型高爐渣混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，測(cè)得設(shè)計(jì)C30混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)38.8 MPa，高出設(shè)計(jì)值29.3 %。因此，研究高鈦型高爐渣鋼筋混凝土扁梁的應(yīng)用，將為高鈦型高爐渣的利用開啟一個(gè)新的方向，具有工程價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1　高爐渣鋼筋扁梁設(shè)計(jì)

1.1理論依據(jù)

根據(jù)現(xiàn)行GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]對(duì)扁梁的規(guī)定，建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，扁梁的截面尺寸應(yīng)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(shè)計(jì)要求

離開柱邊 0.5 bb范圍，可認(rèn)為梁端彎矩按梁寬均勻分布； 離開柱邊bb范圍，可認(rèn)為剪應(yīng)力按梁寬均勻分布[9]。其計(jì)算同普通混凝土梁，取寬扁梁全截面計(jì)算，其抗彎承載力、受剪承載力以及正常使用極限狀態(tài)的裂縫、撓度均按現(xiàn)行GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)扁梁一側(cè)的受拉鋼筋配筋率達(dá)到2.0 %左右時(shí),寬扁梁的設(shè)計(jì)就由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓸?gòu)件裂縫寬度和撓度控制,按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第8.1.1條規(guī)定，應(yīng)按結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別和結(jié)構(gòu)類別確定相應(yīng)的裂縫控制等級(jí)及最大裂縫寬度限值要求。所以裂縫寬度限值對(duì)于一般樓層應(yīng)按0.3 mm取值,屋頂負(fù)彎矩區(qū)應(yīng)按0.2 mm控制要求進(jìn)行驗(yàn)算。

1.3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

扁梁結(jié)構(gòu)分為單向扁梁和雙向扁梁(圖1、圖2)，節(jié)點(diǎn)分為邊節(jié)點(diǎn)、中節(jié)點(diǎn)、角節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)內(nèi)核心區(qū)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)相似，構(gòu)件的內(nèi)力可按傳統(tǒng)的彈性力學(xué)分析方法求的，得出的節(jié)點(diǎn)區(qū)全截面水平剪力和豎向剪力可作為寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)全截面水平剪力和豎向剪力。對(duì)于寬扁梁柱節(jié)點(diǎn)，隨著寬扁梁寬度的增加，內(nèi)核心區(qū)所承擔(dān)的梁端彎矩相對(duì)減小，內(nèi)核心區(qū)的水平剪力也相對(duì)減小，外核心區(qū)所承擔(dān)的梁端彎矩相應(yīng)增大，使得外核心區(qū)的水平剪力也相對(duì)增大。扁梁框架節(jié)點(diǎn)的內(nèi)核心區(qū)[11-12]水平受剪承載力計(jì)算，設(shè)計(jì)建議：

外核心區(qū)水平抗剪筋可利用腰筋貫通及附加另向水平拉結(jié)筋構(gòu)成。對(duì)于外核心區(qū)水平抗剪筋的計(jì)算[11-12]，設(shè)計(jì)建議：

式中：V″jh為節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)水平受剪承載力設(shè)計(jì)值；A″j為節(jié)點(diǎn)外核心區(qū)面積；A″svj為外核心區(qū)同一水平截面內(nèi)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(qū)沿高度方向的附加箍筋( 或腰筋) 間距。扁梁構(gòu)造要求見表1。

(a)中節(jié)點(diǎn)

(b)邊節(jié)點(diǎn)

(c)角節(jié)點(diǎn)

(a)中節(jié)點(diǎn)

(b)邊節(jié)點(diǎn)

(c)角節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)鋼筋配置扁梁類型設(shè)置方式一級(jí)抗震二、三級(jí)抗震非抗震水平抗剪箍筋單向扁梁內(nèi)外核心區(qū)設(shè)置,腰筋雙向貫通附加另向水平拉結(jié)筋構(gòu)成12@10010@1008@100雙向扁梁寬扁梁腰筋雙向貫通構(gòu)成12@10010@1008@100抗扭縱筋配置單向扁梁雙向扁梁核心區(qū)附加封閉箍筋12@10010@1008@100梁高相等,通過計(jì)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(qū)底部加設(shè)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(jié)點(diǎn)外核心區(qū)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(jìn)入外核心區(qū)的寬扁梁縱筋12@10010@1008@100

2　高爐渣鋼筋混凝土扁梁的優(yōu)越性與經(jīng)濟(jì)性

2.1優(yōu)越性

高鈦型高爐渣具有很好的空隙比率，作為扁梁的粗細(xì)骨料，可以很好地與水泥漿結(jié)合，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。以C30和C40為背景，C30抗壓強(qiáng)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(qiáng)度。孔隙比較大，質(zhì)量較輕，有效地減輕了混凝土的重量，從而增加了房屋結(jié)構(gòu)的承載能力。汪杰等[7]對(duì)高鈦型高爐渣鋼筋混凝土梁進(jìn)行正截面抗彎性能試驗(yàn)，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(shí)撓度變形比普通的小。

2.2經(jīng)濟(jì)性

用高爐渣作扁梁的粗細(xì)骨料，價(jià)格比普通的石子和砂子便宜，節(jié)約了成本。高爐渣在混凝土中的應(yīng)用解決了高鈦型高爐渣的堆積問題，節(jié)約了處理工業(yè)廢渣的經(jīng)費(fèi)，創(chuàng)造了不俗的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。

3　結(jié)束語

高爐渣扁梁結(jié)構(gòu)具備普通混凝土扁梁的優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑中的運(yùn)用可以大幅減少房間的死空間，改善室內(nèi)環(huán)境和有利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等抗震設(shè)計(jì)。充分利用回收了攀鋼集團(tuán)產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，解決了高爐渣的堆積問題，具有良好的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

[1]孫金坤. 全高鈦重礦渣混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].重慶： 重慶大學(xué)，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(yīng)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(xué)，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(qiáng)度試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)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(yàn)研究[D] .成都:西華大學(xué)， 2014.

[7]汪杰，徐曉倩，黃雙華. 高鈦型高爐渣受彎構(gòu)件正截面抗彎性能研究[J].施工技術(shù)，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(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2015,41(3).

[9]GB 50010-2011 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

[10]GB 50011-2011 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

[11]姚春燕. 寬扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J] .四川建筑，2014(2).

[12]傅學(xué)怡. 實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 2版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010: 514-517.

謝龍(1988～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土與巖土特性。

TU375.1

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[定稿日期]2016-03-16