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摘要:本文主要从钢纤维混凝土粱柱节点的应用研究、钢纤维混凝土增强联肢墙洞口连粱的应用、钢纤維钢筋高强混凝土拄延性的应用、钢纤维混凝土在桩基承台和筏形基础中的应用以及钢纤维混凝土在屋面板中的应用这五方面对钢纤维混凝土在高层建筑抗震结构中的应用进行分析。
关键词:钢纤维混凝土；高层建筑；抗震结构
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
一、钢纤维混凝土的性能
钢纤维混凝上(Sreel Fiber Reinforced Concrete简称SFRC)是在普通混凝土中掺人乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料,这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。以下是对钢纤维混凝土的性能进行分析。
(一)钢纤维混凝土的增强机理
复合力学理论和纤维间距理论是钢纤维混凝土增强机理的主要研究理论。虽然这两种理论对钢纤维对混凝土的增强作用是从不同角度的去解释的,但是其结果都是为了解释钢纤维对混凝土的增强机理。
(二)钢纤维混凝土的抗压陸能
钢纤维混凝土的抗压性能的影响因素也很多,主要有:钢纤维体积率、钢纤维长径、基体水灰比和水泥用量、砂率、粗集料粒径等。实践证明。混凝土抗压性能的大小主要取决于基体性能的条件是:钢纤维含量参数要适当,混合料要均匀搅拌成型。因此,钢纤维并不是在所有的情况下都有利于提高混凝土的抗压性能,有时还会因为纤维的存在使得抗压性能反而降低。混凝土抗压被钢纤维破坏,但是被破坏后还不会散,因此提高了抗压韧性。
(三)钢纤维混凝土的抗拉性能
抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标,钢纤维混凝土的抗拉强度要比普通混凝土的抗拉强度高25%-50%。影响钢纤维混凝土的抗拉强度的因素有很多,例如水灰比、集料最大粒径、纤维的分布和取向等各种因素。在荷载方面,钢纤维混凝土极限荷载和开裂荷载不同,其要比开裂荷载大,而普通混凝土的开裂荷载和极限荷载基本相同。钢纤维混凝土在最大荷载后可能已存在裂缝,
钢纤维体积率越大,初裂荷载、极限荷载以及韧性也就越大,初裂荷载和极限荷载的比值一般在0.8—1.0之间。如果钢纤维体积率相同,那么抗拉强度就只受钢纤维长度影响,即钢纤维长度增加,抗拉性能就会提高;如果钢纤维的体积率和钢纤维的长度都相同时,钢纤维直径和抗拉强度成反比,也就是说,钢纤维直径越小,抗拉强度就越高。
(四)钢纤维混凝土的抗剪性能
钢纤维混凝土的抗剪性能要比普通混凝土的抗剪性能高50%-100%,钢纤维混凝土在基体错动后承载能力并没有消失,这又是一个优于普通混凝土的特点。关于混凝土复合材料抗剪强度的测试,国内外尚无统一的仪器和方法。从试验结果可以看出,抗剪强度随水灰比的减小而增大,随钢纤维体积率的增加而增大。
(五)钢纤维混凝土的弯曲性能
钢纤维混凝土的抗弯强度要比普通的抗弯强度要高40%-80%。钢纤维混凝土承受弯曲应力主要是在路面、桥面、机场跑道的应用中。钢纤维混凝土的韧性也比普通混凝土的韧性要高,钢纤维在试件破坏时受拉区它是从混凝土中拔出而不是拉断。其实,混凝土抗折强度受诸多因素的影响,主要有:构件的截面形状、尺寸和高度、混凝土标号、混凝土集料性质和组成、养护情况以及混凝土的收缩和徐变等。
(六)具有卓越的抗冲击性能
所谓冲击韧性是指材料在受到外力的打击或是冲撞时它所能抵抗破坏的能力。钢纤维混凝土的冲击抗压韧性是普通混凝土的冲击抗压韧性的2-7倍,并且冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。
二、钢纤维混凝土在高层建筑抗震结构中的应用
(一)钢纤维混凝土梁柱节点的应用研究
钢纤维混凝土的抗震实验是上世纪70年代由国外研究者进行的,实验结果证明。无论是在强度、刚度、耗能力方面,还是在梁钢筋粘结锚固方面,钢纤维混凝土梁柱结点要比普通混凝土梁柱节点改善很多,并且与框架相比,耗能能力提高]30%,结构的延性提高57%,除此之外,荷载循环次数也提高了15%。箍筋可由钢纤维混凝土梁柱节点的框架替代,从而有利于节点区的抗震性能的改善,又有利于解决节点区钢筋过密和施工困难等问题。
近几年来,在我国高层建筑中扁梁结构已经广泛应用,扁梁宽度要比其高度大,有时也要比柱的宽度还要大,我国对扁梁柱节点的抗震性还要进行更深入研究,由于其机理比较复杂。经过研究发现,扁梁节点处的破坏形态可由钢纤维进行改善,采用钢纤维使得扁梁柱节点裂缝更加均匀,减小了混凝土剥落的严重性,扁梁柱节点的刚度有所提高以及其强度系数降低;除此之外,扁梁柱节点的初裂承载力和极限承载力也有所提高,以及节点区的延性和耗能能力也有所改善。
(二)钢纤维混凝土增强联肢墙洞口连梁的应用
联肢墙洞口连梁在高层建筑结构中既有助于联肢墙侧向刚度的调节和保证,又有助于地震能量的消耗。当连梁的联肢墙具有合适强度、刚度和良好变形性能在遇到较强的地震时,多数连梁发挥其塑性变形能力,因此在在墙肢屈服之前就要屈服,耗散地震能量,从而主体结构构件的损坏程度就会减轻,最终使结构达到抗震设防的目的。一般在实际设计中,连粱的跨高要比一般的都小,使得脆性的剪切破坏极易发生。实验证明,钢纤维混凝土能有效的改善混凝土的粘结和塑性条件,使得短梁的抗剪、抗疲劳能力提高,并使得发生弯曲的短梁替代原来将发生剪切破坏的短梁,最终实现短梁的抗震性能的提高。
(三)钢纤维钢筋高强混凝土柱延性的应用
在高层建筑结构中,为了使结构底部柱子截面减少以及短柱的出现率减少,一般情况下采用高强混凝土。虽然如此,但是由于高强混凝土的特性(脆性大、延性较差),在地震区既要发挥高强混凝土的优势又要满足其构件的延性要求,此问题是目前较为热点的问题之一。对此问题进行研究,主要从以下几方面进行:一是将高强混凝土置于被约束状态之中;二是改性高强混凝土。而钢纤维的添加是其中的途径之一。掺加钢纤维主要是通过提高柱子的受压区边缘极限压应变来实现提高柱子的延性。
(四)钢纤维混凝土在桩基承台和筏形基础中的应用
桩基承台承受着由弯拉、冲切、剪切共同作用的力。目前。单桩承载力可承受几百吨,其厚度有数米,桩基承台的厚度可以由纤维混凝土降低。
在高层建筑中,筏形基础也被广泛应用,冲切条件控制筏板的厚度。在现代的工程设计中,大多都采用等厚度的筏板,筏板厚度是由最不利处抗冲切条件决定的,这样有很多不利影响,例如当混凝土拉应力不能被其抗拉强度抵抗时。此时温度裂缝将会发生,这样使得基础的耐久性受到很大的影响,甚至还会危及结构安全。实验证明,钢纤维混凝土明显改善了其对于抗拉强度起控制作用的冲切强度。钢纤维混凝土能够使筏形基础局部增强,同时筏板的厚度也可以减少。
(五)钢纤维混凝土在屋面板中的应用
屋面板上采用钢纤维混凝土有利于抗裂防水,有利于增强屋面的承载力和抗冲击能力,最终使屋面能满足不同建筑的需要。
关键词:钢纤维混凝土；高层建筑；抗震结构
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
一、钢纤维混凝土的性能
钢纤维混凝上(Sreel Fiber Reinforced Concrete简称SFRC)是在普通混凝土中掺人乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料,这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。以下是对钢纤维混凝土的性能进行分析。
(一)钢纤维混凝土的增强机理
复合力学理论和纤维间距理论是钢纤维混凝土增强机理的主要研究理论。虽然这两种理论对钢纤维对混凝土的增强作用是从不同角度的去解释的,但是其结果都是为了解释钢纤维对混凝土的增强机理。
(二)钢纤维混凝土的抗压陸能
钢纤维混凝土的抗压性能的影响因素也很多,主要有:钢纤维体积率、钢纤维长径、基体水灰比和水泥用量、砂率、粗集料粒径等。实践证明。混凝土抗压性能的大小主要取决于基体性能的条件是:钢纤维含量参数要适当,混合料要均匀搅拌成型。因此,钢纤维并不是在所有的情况下都有利于提高混凝土的抗压性能,有时还会因为纤维的存在使得抗压性能反而降低。混凝土抗压被钢纤维破坏,但是被破坏后还不会散,因此提高了抗压韧性。
(三)钢纤维混凝土的抗拉性能
抗拉强度是确定混凝土抗裂度的重要指标,钢纤维混凝土的抗拉强度要比普通混凝土的抗拉强度高25%-50%。影响钢纤维混凝土的抗拉强度的因素有很多,例如水灰比、集料最大粒径、纤维的分布和取向等各种因素。在荷载方面,钢纤维混凝土极限荷载和开裂荷载不同,其要比开裂荷载大,而普通混凝土的开裂荷载和极限荷载基本相同。钢纤维混凝土在最大荷载后可能已存在裂缝,
钢纤维体积率越大,初裂荷载、极限荷载以及韧性也就越大,初裂荷载和极限荷载的比值一般在0.8—1.0之间。如果钢纤维体积率相同,那么抗拉强度就只受钢纤维长度影响,即钢纤维长度增加,抗拉性能就会提高;如果钢纤维的体积率和钢纤维的长度都相同时,钢纤维直径和抗拉强度成反比,也就是说,钢纤维直径越小,抗拉强度就越高。
(四)钢纤维混凝土的抗剪性能
钢纤维混凝土的抗剪性能要比普通混凝土的抗剪性能高50%-100%,钢纤维混凝土在基体错动后承载能力并没有消失,这又是一个优于普通混凝土的特点。关于混凝土复合材料抗剪强度的测试,国内外尚无统一的仪器和方法。从试验结果可以看出,抗剪强度随水灰比的减小而增大,随钢纤维体积率的增加而增大。
(五)钢纤维混凝土的弯曲性能
钢纤维混凝土的抗弯强度要比普通的抗弯强度要高40%-80%。钢纤维混凝土承受弯曲应力主要是在路面、桥面、机场跑道的应用中。钢纤维混凝土的韧性也比普通混凝土的韧性要高,钢纤维在试件破坏时受拉区它是从混凝土中拔出而不是拉断。其实,混凝土抗折强度受诸多因素的影响,主要有:构件的截面形状、尺寸和高度、混凝土标号、混凝土集料性质和组成、养护情况以及混凝土的收缩和徐变等。
(六)具有卓越的抗冲击性能
所谓冲击韧性是指材料在受到外力的打击或是冲撞时它所能抵抗破坏的能力。钢纤维混凝土的冲击抗压韧性是普通混凝土的冲击抗压韧性的2-7倍,并且冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。
二、钢纤维混凝土在高层建筑抗震结构中的应用
(一)钢纤维混凝土梁柱节点的应用研究
钢纤维混凝土的抗震实验是上世纪70年代由国外研究者进行的,实验结果证明。无论是在强度、刚度、耗能力方面,还是在梁钢筋粘结锚固方面,钢纤维混凝土梁柱结点要比普通混凝土梁柱节点改善很多,并且与框架相比,耗能能力提高]30%,结构的延性提高57%,除此之外,荷载循环次数也提高了15%。箍筋可由钢纤维混凝土梁柱节点的框架替代,从而有利于节点区的抗震性能的改善,又有利于解决节点区钢筋过密和施工困难等问题。
近几年来,在我国高层建筑中扁梁结构已经广泛应用,扁梁宽度要比其高度大,有时也要比柱的宽度还要大,我国对扁梁柱节点的抗震性还要进行更深入研究,由于其机理比较复杂。经过研究发现,扁梁节点处的破坏形态可由钢纤维进行改善,采用钢纤维使得扁梁柱节点裂缝更加均匀,减小了混凝土剥落的严重性,扁梁柱节点的刚度有所提高以及其强度系数降低;除此之外,扁梁柱节点的初裂承载力和极限承载力也有所提高,以及节点区的延性和耗能能力也有所改善。
(二)钢纤维混凝土增强联肢墙洞口连梁的应用
联肢墙洞口连梁在高层建筑结构中既有助于联肢墙侧向刚度的调节和保证,又有助于地震能量的消耗。当连梁的联肢墙具有合适强度、刚度和良好变形性能在遇到较强的地震时,多数连梁发挥其塑性变形能力,因此在在墙肢屈服之前就要屈服,耗散地震能量,从而主体结构构件的损坏程度就会减轻,最终使结构达到抗震设防的目的。一般在实际设计中,连粱的跨高要比一般的都小,使得脆性的剪切破坏极易发生。实验证明,钢纤维混凝土能有效的改善混凝土的粘结和塑性条件,使得短梁的抗剪、抗疲劳能力提高,并使得发生弯曲的短梁替代原来将发生剪切破坏的短梁,最终实现短梁的抗震性能的提高。
(三)钢纤维钢筋高强混凝土柱延性的应用
在高层建筑结构中,为了使结构底部柱子截面减少以及短柱的出现率减少,一般情况下采用高强混凝土。虽然如此,但是由于高强混凝土的特性(脆性大、延性较差),在地震区既要发挥高强混凝土的优势又要满足其构件的延性要求,此问题是目前较为热点的问题之一。对此问题进行研究,主要从以下几方面进行:一是将高强混凝土置于被约束状态之中;二是改性高强混凝土。而钢纤维的添加是其中的途径之一。掺加钢纤维主要是通过提高柱子的受压区边缘极限压应变来实现提高柱子的延性。
(四)钢纤维混凝土在桩基承台和筏形基础中的应用
桩基承台承受着由弯拉、冲切、剪切共同作用的力。目前。单桩承载力可承受几百吨,其厚度有数米,桩基承台的厚度可以由纤维混凝土降低。
在高层建筑中,筏形基础也被广泛应用,冲切条件控制筏板的厚度。在现代的工程设计中,大多都采用等厚度的筏板,筏板厚度是由最不利处抗冲切条件决定的,这样有很多不利影响,例如当混凝土拉应力不能被其抗拉强度抵抗时。此时温度裂缝将会发生,这样使得基础的耐久性受到很大的影响,甚至还会危及结构安全。实验证明,钢纤维混凝土明显改善了其对于抗拉强度起控制作用的冲切强度。钢纤维混凝土能够使筏形基础局部增强,同时筏板的厚度也可以减少。
(五)钢纤维混凝土在屋面板中的应用
屋面板上采用钢纤维混凝土有利于抗裂防水,有利于增强屋面的承载力和抗冲击能力,最终使屋面能满足不同建筑的需要。