徐明东
山东建筑大学 山东济南 250101
摘要：本文通过对活性粉末混凝土性能特点介绍及钢管与RPC组合形成钢管活性粉末混凝土柱，对二者结合所发挥的优势进行阐述。并且对国内一些钢管活性粉末混凝土研究现状进行总结分析，指出钢管活性粉末混凝土未来在我国高层、道路桥梁、地下工程等领域的广阔应用前景。
关键词：活性粉末混凝土、钢管、短柱
近年来我国在高层建筑应用方面发展很快，普通钢筋混凝土柱由于其自重大等缺点，其作为高层建筑的底层柱，在轴压比增大的情况下为保证构件延性，就必须增大截面面积，不但影响使用，而且容易提高经济成本。为满足建筑行业的需求，钢管粉末混凝土作为一种新型材料构件应运而生。
一、活性粉末混凝土与钢管材料性能
1.1钢管混凝土的形式与特点
相对而言，钢管混凝土可用于多、高层和超高层建筑的柱结构和抗侧移体系，构件截面可采用圆形或方、矩形。其主要优点如下：1）构件截面小，节约建筑材料，增加使用空间，减轻构件的自重，可减小基础负担，降低基础造价；2）抗震性能好；3）耐火性能优于钢结构，相对于钢结构可降低防火造价；4）方便施工，加快施工速度。
1.2.1 活性粉末混凝土的性能特点
活性粉末混凝土（RPC）作为一种新型的高性能水泥基复合材料，具有超高强度，高耐久性，良好的韧性及体积稳定性。作为上世纪90年代研发出的一种新型材料，相较于普通的高强混凝土，在抗压及抗拉强度上有很大的提升。根据其组成和热处理方式的不同，这种混凝土的抗压强度可以达到200MPa 至800MPa；抗拉强度可以达到20MPa至50MPa；弹性模量为40Gpa至60Gpa。RPC在工程结构中的应用可以解决目前的高强与高性能混凝土抗拉强度不够高、脆性大、体积稳定性不良等缺点，同时还可以解决钢结构的投资高、防火性能差、易锈蚀等问题。
1.2.2 活性粉末混凝土的应用前景
作为具有变革意义的新一代混凝土，RPC以其优异的力学性能，超强的抗渗及抗韧性冲击性能，良好的密实性及耐久性，随着时代的发展要求，RPC混凝土未来在高层建筑、抗震结构、桥梁隧道及防泄漏等工程方面获得广泛的应用。
1.3 钢管活性粉末混凝土性能特点
虽然活性粉末混凝土具有强度高等优点，能够在相同承载力条件下明显减少构件截面尺寸和自重，但其本身也存在一定的不足之处，其本身具有很大的脆性和延性，在没有加适量钢纤维的情况下，当其受复杂高应力时，很难发挥其材料的强度优点，试件破坏在很大程度上由脆性来控制。而将活性粉末混凝土与钢管结合，形成钢管粉末混凝土柱，则能够充分发挥二者的优点。当钢管粉末混凝土用作弯压构件时，因为钢管对内部混凝土的套箍作用，使粉末混凝土由脆性材料转为塑性材料，进而其抗压承载力能够获得极大的提高。而对于外部起套箍作用的薄壁钢管来说，由于局部缺陷对其有很大的影响，往往实际承载力与理论值有很大的差距。当钢管与粉末混凝土结合时，由于内部混凝土的存在，能够避免或者在一定程度上延缓钢管发生局部屈曲，使其局部稳定性增加。将粉末混凝土灌入钢管形成钢管混凝土，内部的粉末混凝土在复杂的三相应力作用下，将使其由脆性破坏转为延性破坏。
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在经济效益方面，相比于普通的钢筋混凝土，钢管粉末混凝土柱在相同承载力的情况下，节约钢材和混凝土的数量都能够达到一半以上，对于钢结构，节约钢材也是如此。同时，在施工方面，钢管混凝土便于施工，由于减少了钢筋的绑扎，支模及拆模等工序，梁柱结点构造简单，处理起来也更加容易。这能够极大的缩短工期，降低时间成本。
二、钢管粉末混凝土柱研究发展现状
随着建筑行业发展的需求，国内众多学者对钢管粉末混凝土的性能、本构关系、承载能力进行了实验参数和数值分析，力求得到接近钢管粉末混凝土实际的本构关系和承载力模型。具体研究状况如下：
北京交通大学罗华[1]在国内外钢管粉末混凝土研究成果的基础上，对钢管活性粉末混凝土轴压短柱的进行试验研究，测定了试件的荷载位移曲线并详细分析了试件受力全过程；利用有大型限元分析软件建立模型，对试件的加载全过程进行模拟，归纳现有圆钢管活性粉末混凝土短柱的试验数据，拟合了其极限承载力公式并，进行了工程应用设计分析。
北京交通大学杨骏[2]进行了钢管活性粉末混凝土长柱的试验研究，做14根钢管长柱并进行轴压试验，观察长柱的破坏过程并提取了荷载位移关系曲线，研究了长细比、套箍指标对钢管长柱承载力的影响；并利用建立模型进行了模拟。
福州大学曾健仙[3]进行了24根圆钢管长柱试件的试验研究，并使用进行建模分析计算，从理论和试验两个方面研究了钢管长柱偏压的力学性能和工作机理。
福州大学姚良云[4]进行了12根钢管短柱偏心受压及12根钢管长柱轴心受压的试验研究，探讨了钢管短柱偏压和长柱轴压的荷载变形全过程，建立了钢管短柱偏压和长柱轴压的极限承载力简化公式。
北京交通大学李占辉[5]在国内外关于钢管混凝土和钢管活性粉末混凝土的力学性能和极限承载力研究的基础上，对圆钢管约束下本构关系进行研究，对钢管短柱的轴心受压试验进行有限元模拟，得到圆钢管约束下的峰值应力、平台应力和峰值应变的经验公式，推导了圆钢管约束下短柱轴压应力应变全曲线方程。
三、结论与展望
近年来建筑及交通行业发展迅速，材料亦不断向高强、高性能发展，粉末混凝土作为一种性能优越的材料，无疑具有广阔的应用前景。钢管活性粉末混凝土结构，在节约资源消耗、加快施工进度和工业化进程、降低工程一次性投入和宏观造价、提高投资回报率等方面都有着明显的经济效益，在高层超高层建筑、桥梁等结构中有着广阔的应用前景。目前越来越多的学者着手对其进行研究，虽然尚未形成通用的设计或应用理论，且在实际工程中的应用还远远未普及，但随着技术的进步和建筑行业的时代需求，钢管粉末混凝土必将获得更加广泛的认可和应用。
参考文献：
[1] 罗华 圆钢管活性粉末混凝土短柱轴压受力性能研究 北京交通大学，2011
[2] 杨骏 钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压性能研究 北京交通大学，2013
[3] 曾健仙 圆钢管偏压长柱的受力性能研究 福州大学，2005
[4] 姚良云 圆钢管短柱偏压及长柱轴压受力性能研究 福州大学，2004
[5] 李占辉 圆钢管约束下活性粉末混凝土本构模型的有限元分析，北京交通大学，2012
论文作者:徐明东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/27
标签：混凝土论文; 钢管论文; 粉末论文; 活性论文; 承载力论文; 圆钢论文; 性能论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;