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，時金雨

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127; 2.江蘇邗建集團有限公司，江蘇 揚州 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件的截面尺寸,增大柱構件的剛度與承載力的一種新型構件類型,已在大跨、重載等各種主體結構中研究并得到了廣泛應用。但是，隨著我國社會和經濟的發展,建筑結構逐漸朝著超高、超大規模的方向發展,并且在易于凍融和易于受水侵蝕的環境中也廣泛應用,混凝土在力學性能和耐久性能上都提出了新的技術要求。

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、高強度、優異的耐久性、延性等許多重要優點而在建筑工業中已經得到了廣泛的技術應用[1-3]。本文主要結合了普通的型鋼混凝土和活性鋼與活性粉末混凝土結構的各自獨特之處,將對RPC的研究應用到普通型鋼混凝土柱中，這種采用新材料工藝的型鋼結構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點。

1 活性粉末混凝土研究現狀

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世紀初。湖南師范大學的何峰教授于2000年通過實際科學試驗深入地分析研究了各種原材料品種、性質和其配合比對RPC整體的抗壓強度的直接影響，在未摻鋼纖維材料的高溫養護條件下RPC的抗壓強度一般都可以保證達到229 MPa，同時還能夠使其具備較好的流動性；在摻鋼纖維材料以及相同高溫養護條件下，其RPC的抗壓強度可以高達298 MPa。

2020年，徐錦超、薛文等[4]開展交叉對照試驗來優化活性粉末混凝土配合比。試驗結果表明，相比于河砂，使用石英砂的RPC的抗壓強度提升了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度；80 ℃的熱水養護條件能有效地增強粉煤灰的活性，提高混凝土早期水化程度，使RPC的抗壓及抗折強度在3 d齡期內快速提升。

2020年，王秋維、史慶軒等[5]基于最緊密堆積原則對RPC配合比進行設計，對RPC在熱水養護制度下的抗壓性能和變形特性進行試驗研究。結果表明，水膠比、鋼纖維體積分數和硅灰摻量對RPC抗壓強度影響較大，立方體抗壓強度隨著水膠比的降低而減小和鋼纖維體積分數的增加而增大，當水膠比中硅灰摻量降低到25%時，RPC的立方體抗壓強度最高，最后提出一種邊長為100 mm的立方體抗壓強度標準值作為主要依據的RPC強度等級劃分方法。

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

1.2 活性粉末混凝土柱的研究現狀

活性粉末混凝土具有超高強度、高韌性、高彈性模量等優點，其結構構件的滯回性能與普通混凝土結構構件相比具有不同的特點。2004年，趙冠遠等[7]通過4個小比例RPC矩形截面柱的擬靜力試驗來分析配箍率對RPC配筋柱延性的影響，試驗研究結果表明，構件在總體設計上充分體現了良好的滯回性能以及強度衰減緩慢，表明RPC具有較好抗震性能；在保證縱筋的屈服強度以及剪切強度的情況下，在實際工程中可以大幅度減少縱筋以及箍筋的數目，取得很好的經濟效益。

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行低周反復試驗。研究表明，在試驗軸壓比范圍內，軸壓比越大，活性粉末混凝土配筋柱的承載能力就越高，同時相比于低軸壓比試件，高軸壓比試件破壞時塑性區高度更高；配筋率和配箍率對試驗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的應用

目前，我國RPC主要廣泛應用于鐵路橋梁。2008年，在薊港鐵路北塘西至東大沽擴能改造工程中，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地條件影響線路跨線凈高受限的問題[9]。

哈爾濱工業大學的王德弘等[10]將RPC運用于混凝土梁柱節點的滯回性能的研究中，發現RPC中的鋼纖維有效地抑制核心區混凝土的剝落，使試件依然具有完整性，同時梁柱節點具有良好的力學性能。同時，因為活性粉末混凝土結構具有很高的承載能力，構件的截面尺寸得到了進一步減小，大大增加了建筑的使用空間；混凝土的用量大幅度減小，對環境起到了良好的保護作用。

2 型鋼混凝土柱抗震性能研究現狀

型鋼混凝土結構是將型鋼和鋼筋混凝土優化組合在一起而形成的新型組合結構體系[11]。我國對型鋼混凝土的研究較晚，近幾年隨著經濟的發展，型鋼混凝土結構在理論研究和工程應用中得到迅速發展。

2018年，楊怡亭等[12]對已完成試驗的7根型鋼混凝土柱在低周反復荷載下的受力性能進行了模擬分析，結果表明，大剪跨比、低軸壓比、高配箍率及高含鋼率的高強型鋼混凝土柱滯回環更趨于較為飽滿的梭形，試件的極限變形能力更強，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]利用數值模擬與理論分析相結合的方法來研究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載荷作用下的抗震性能,并與已有試驗結果進行相互對比,驗證了所建有限元模型的適用性與正確性。在此基礎上,通過大量的數值模擬,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揮作用,在很大程度上改善了構件的抗震性能。

2020年，劉祖強、周昕等[14]通過試驗理論研究和有限元模擬相結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根采用不同區域約束混凝土的型鋼混凝土柱進行擬靜力往復荷載對比試驗，結果表明，型鋼區域約束混凝土柱受力均勻，能有效地抑制貫通斜裂縫的發生，有效地避免脆性剪切破壞，同時型鋼區域約束混凝土柱在高軸壓比下具有良好的力學性能和抗震性能，宜加以廣泛推廣使用。

3 結語

1)相比于普通混凝土而言，活性粉末混凝土具有較高的強度、延性和耐久性能等諸多優點。但其制備工藝、養護工藝要求均較高，很難在實際工程中滿足這種最優澆筑和養護條件，在中國的推廣應用還需要進一步研究，來取得良好的社會效益和經濟效益。

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

3)本文簡要總結了對活性粉末混凝土的力學性能方面的研究以及RPC柱抗震性能研究現狀，分析了型鋼混凝土柱抗震性能，依據型鋼混凝土柱的抗震性能試驗，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：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，并最終應用于實際工程中。