歐陽光，黃賓，秦紅軍，秦如心

（1重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2重慶建工集團(tuán)總承包公司，重慶 401122；3四川省宜賓市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，四川宜賓 644000；4重慶市興隆建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，重慶 400011）

型鋼高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用和發(fā)展

歐陽光1,2，黃賓3，秦紅軍2，秦如心4

（1重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；2重慶建工集團(tuán)總承包公司，重慶 401122；3四川省宜賓市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，四川宜賓 644000；4重慶市興隆建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，重慶 400011）

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，高層建筑不斷增加，各種復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和異性結(jié)構(gòu)也日益增多，重載、大跨、高聳是現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢，因此框架柱承受的軸向荷載也越來越大。型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，它將型鋼和混凝土結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合在一起，兩者“優(yōu)勢互補(bǔ)”，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性（塑性變形能力）將會得到顯著改善，建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的正確選用，既可減輕建筑結(jié)構(gòu)自身重量，還可節(jié)約鋼材用量，社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益等綜合效益將得以凸顯。因此型鋼和高強(qiáng)混凝土的結(jié)合相得益彰，堪稱完美，該結(jié)構(gòu)體系必將有著更加廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

型鋼高強(qiáng)混凝土；型鋼混凝土；高強(qiáng)混凝土；結(jié)構(gòu)延性；抗震性能

0 引言

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

延性是結(jié)構(gòu)抗震性能的一個重要指標(biāo)，在抗震設(shè)計中必須保證結(jié)構(gòu)有足夠的延性。我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[2-4]規(guī)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(jìn)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(jié)構(gòu)已不滿足現(xiàn)代建筑的發(fā)展要求。

高強(qiáng)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(shè)防區(qū)的應(yīng)用受到限制。

型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是一個組合結(jié)構(gòu)，型鋼可改善結(jié)構(gòu)延性，提高抗震性能，高強(qiáng)混凝土可減小構(gòu)件截面尺寸。由于其發(fā)揮了型鋼和高強(qiáng)混凝土各自的優(yōu)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(qū)的高層建筑抗震設(shè)計。

1 高強(qiáng)混凝土的特點及應(yīng)用

高強(qiáng)混凝土采用常規(guī)的生產(chǎn)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(yǎng)護(hù)，硬化后形成具有高強(qiáng)特征的水泥混凝土。

根據(jù)強(qiáng)度等級進(jìn)行劃分，并結(jié)合我國工程建設(shè)的實際情況，C50及C50以上的混凝土一般定義為高強(qiáng)混凝土。世界各國對高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級也進(jìn)行了類似的定義，如美國（ACI）、日本、歐洲（CEB－FIPMC90）等國的混凝土規(guī)范，對高強(qiáng)混凝土的定義范圍，與我國的定義標(biāo)準(zhǔn)大體一致。

高強(qiáng)混凝土 （High Strength Concrete，HSC）具有高強(qiáng)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(qiáng)度高、持久強(qiáng)度系數(shù)高、徐變系數(shù)小，抗?jié)B、耐磨、抗腐蝕，特別適用于荷載大的建筑結(jié)構(gòu)和惡劣的氣候環(huán)境。因此，高強(qiáng)混凝土必將在橋梁和建筑結(jié)構(gòu)中得到更加廣泛的應(yīng)用，必將會成為21世紀(jì)現(xiàn)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(qiáng)混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，在實際工程應(yīng)用方面，都取得了不菲的成果。特別是美國，不管是在高強(qiáng)混凝土的研發(fā)方面，還是在工程應(yīng)用方面，其科技實力和技術(shù)水平都居世界領(lǐng)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(shè)計采用強(qiáng)度等級為C65的高強(qiáng)混凝土，是最早應(yīng)用高強(qiáng)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(dāng)于C70的高強(qiáng)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(lián)大廈是世界上高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級使用最高的，強(qiáng)度等級高達(dá)C135，其結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級約為C80的高強(qiáng)混凝土。

法蘭克福有歐洲最高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，該建筑總高度為186m，底層框架柱使用的高強(qiáng)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(zhì)災(zāi)害之一。因此，鋼筋混凝土高層建筑的建造在日本曾經(jīng)受到嚴(yán)格的限制。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，近年來，限制條件有逐步放松的趨勢，高層建筑有逐漸發(fā)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(jìn)行審查的高層建筑數(shù)量呈逐步增加的態(tài)勢。1989年審查的建筑數(shù)量為8棟，而在1990年審查的建筑數(shù)量為14棟，較1989年增加75%；1991年審查數(shù)量為22棟，較上年增加57%。混凝土強(qiáng)度等級最高一般為C60?，F(xiàn)在，超高強(qiáng)混凝土超高層建筑的技術(shù)研究和理論分析在日本國內(nèi)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(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級高達(dá)C120～C150[12]。

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

高強(qiáng)混凝土在我國也得到了廣泛應(yīng)用。北京、廣東等地都有HSC高層建筑。我國最早應(yīng)用高強(qiáng)混凝土施工技術(shù)的超高層建筑是北京新世紀(jì)飯店和廣州國際大廈。北京新世紀(jì)飯店，建筑總高度為110m，共31層，10層以下柱混凝土強(qiáng)度等級設(shè)計為C60，而28d的實際混凝土強(qiáng)度已達(dá)到了設(shè)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(jī)坪采用C60的高強(qiáng)混凝土。

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

高強(qiáng)混凝土雖然具有高強(qiáng)的特性，能有效減小結(jié)構(gòu)構(gòu)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(chǎn)環(huán)節(jié)、運(yùn)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(zhì)量的首要保證；其次是生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工的所有環(huán)節(jié)都要仔細(xì)計劃和認(rèn)真檢查。任何一個環(huán)節(jié)都不能出現(xiàn)問題，否則質(zhì)量將得不到保證。

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

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

（4）高強(qiáng)混凝土，特別是C70以上的高強(qiáng)混凝土，隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，抗拉、抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)抗震。

總體來說，高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用是目前的發(fā)展趨勢。但為了克服固有的延性差的缺點，同時又能充分發(fā)揮其抗壓高強(qiáng)的優(yōu)勢，必須建立一個新的結(jié)構(gòu)體系。因此，型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)體系就有了存在的基礎(chǔ)和發(fā)展的前提，其發(fā)展可謂是水到渠成，時代所需。

2 型鋼高強(qiáng)混凝土的特點、應(yīng)用及發(fā)展

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

該結(jié)構(gòu)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(gòu)式的鋼構(gòu)件。

由于型鋼的存在，型鋼與混凝土各盡所長、取長補(bǔ)短，大大的改善了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗研究，屬于較早研究應(yīng)用SRC結(jié)構(gòu)的國家之一。日本早期典型的全SRC結(jié)構(gòu)當(dāng)數(shù)1923年建成的興業(yè)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(jié)構(gòu)。其后，多次調(diào)整采用SRC結(jié)構(gòu)的樓層范圍。1953年調(diào)整為7層以上，1970年又調(diào)整為8層以上。

日本采用SRC結(jié)構(gòu)的建筑物數(shù)量及建筑面積增長迅速。根據(jù)1985年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，采用SRC結(jié)構(gòu)的建筑面積與建筑總面積的比率已經(jīng)超過了50%，達(dá)到62.8%；高層建筑中（10-15層），SRC結(jié)構(gòu)建筑物數(shù)量與建筑物總數(shù)量的比率更是高達(dá)90%左右[17]，歐美等國家于上世紀(jì)初開始對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和工程實際運(yùn)用。1908年，Burr對空腹式型鋼混凝土柱進(jìn)行多次的試驗研究，并進(jìn)行不斷的分析和總結(jié)。研究表明，型鋼外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能提高整個柱子的強(qiáng)度和剛度。此后，加拿大、美國、英國的學(xué)者也進(jìn)行了大量的試驗研究。

我國運(yùn)用型鋼混凝土的歷史，應(yīng)該追溯到上世紀(jì)50年代。當(dāng)時主要依據(jù)的是前蘇聯(lián)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法，工業(yè)廠房的構(gòu)件開始局部采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

上世紀(jì)80年代，我國開始對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究。此后，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也逐步由廠房向高層、超高層建筑發(fā)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(nèi)應(yīng)用型鋼混凝土的典型。

型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu) （Steel High—Strength Reinforced Concrete，HSRC）是指在型鋼周圍配置構(gòu)造鋼筋（主筋和箍筋）并澆筑高強(qiáng)混凝土的組合結(jié)構(gòu)，是型鋼與高強(qiáng)混凝土密切聯(lián)系、緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

分析其受力特性，高強(qiáng)混凝本身具有很高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)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(qiáng)度高和延性好的特點，將型鋼放置到高強(qiáng)混凝土構(gòu)件中，對改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性有重要作用，能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，型鋼和高強(qiáng)混凝土優(yōu)勢能各盡所長，使鋼材用量得以節(jié)約，結(jié)構(gòu)自重得以減輕，從而取得良好的綜合效益。

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

（1）HSRC結(jié)構(gòu)實際上是高強(qiáng)混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)。內(nèi)置型鋼具有良好的變形性能和抗拉強(qiáng)度，能有效彌補(bǔ)高強(qiáng)混凝土脆性大、延性差的固有缺陷。同時，高強(qiáng)混凝土發(fā)揮抗壓高強(qiáng)的優(yōu)點。因此，綜合抗震能力強(qiáng)是HSRC結(jié)構(gòu)最顯著的特點。

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

（3）與高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，HSRC結(jié)構(gòu)抗震性能良好。高強(qiáng)混凝土的缺點，如抗拉強(qiáng)度低，且脆性大，塑性變形小，延性低，抗震性能差，在采用HSRC結(jié)構(gòu)后，都能得到有效的解決。

（4）與普通型鋼混凝土相比，HSRC結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，特別適用于超高層建筑。HSRC結(jié)構(gòu)內(nèi)置型鋼起固定和強(qiáng)大的骨架支撐作用，高強(qiáng)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(xiàn)代超高層建筑。

（5）高強(qiáng)混凝土具有密實度高的特點，抗凍、抗腐蝕、抗?jié)B，耐久性好，因此HSRC結(jié)構(gòu)適用于各種惡劣的環(huán)境和條件。

（6）HSRC結(jié)構(gòu)在施工過程中，由于高強(qiáng)混凝土具有早強(qiáng)的特點，進(jìn)度能夠得到保障，從而保證工期。

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，我國鋼產(chǎn)量逐年提高，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展面臨著發(fā)展機(jī)遇和時代挑戰(zhàn)。目前，在北京、上海、廣州、深圳等地，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的工程應(yīng)用。所采用的高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級都在不斷的提高，如中國國際貿(mào)易中心、中國大飯店、北京新世紀(jì)大廈，上海的瑞金大廈和天目廣場等，深圳的發(fā)展中心大廈和鴻昌大廈，其下部結(jié)構(gòu)的型鋼混凝土柱普遍采用C60及以上的高強(qiáng)混凝土。

國家建設(shè)部于2002年頒發(fā)了中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138－2001、J130-2001)，以此來規(guī)范型鋼混凝土行業(yè)的發(fā)展。在該技術(shù)規(guī)程中，高強(qiáng)混凝土的最高等級為C60，而對于C60以上的高強(qiáng)混凝土，無任何具體的技術(shù)闡述、規(guī)定和說明[16]。在規(guī)程后面的條文說明中，由于對C70以上的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究不足，對其信息掌握有限，因此，C70～C80的高強(qiáng)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(shù)支撐，方可使用。而對于C80以上的高強(qiáng)混凝土則未作考慮。

HSRC除了上述的優(yōu)點外也一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）施工工藝十分復(fù)雜，施工質(zhì)量要求特別高。

（2）型鋼混凝土特別是型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理還不十分明確，設(shè)計及計算理論也有待進(jìn)一步完善。

（3）型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)論

對于普通混凝土的實驗研究，我們已經(jīng)建立起了一套完整的計算方法和設(shè)計理論。但由于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土性能的差異性，使得SRC結(jié)構(gòu)與HSRC結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)的計算方法和設(shè)計理論。

HSRC結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了世界各國的普遍關(guān)注。因此，HSRC結(jié)構(gòu)將會迎來更加廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間?？紤]到對型鋼高強(qiáng)混凝土研究的范圍、方向和深度，進(jìn)一步推廣其應(yīng)用，主要應(yīng)在如下幾個方面加強(qiáng)研究：

(1)型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞破壞機(jī)理研究。

(2)型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)分析以及隨機(jī)振動分析。

(3)型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性動力試驗研究。

(4)型鋼高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)體系基于抗震性能設(shè)計和隨機(jī)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(xué)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