摘要：我国经济实力持续增强，人民生活水平不断提高，现在城市建设步伐不断向前迈进，与之同时城市人口激增，为了节省用地，城市中高层建筑越来越多，然而高层建筑虽然解决了人们的居住问题，但是其安全性也得到了人们及社会的普遍广泛关注。高强度钢管混凝土结构可以解决人们的这一顾虑，其利用较小的钢管截面内部灌入混凝土，充分发挥了钢材抗拉能力和混凝土抗压能力，这种组合受力方式大幅提高了结构整体受力性能。但是，目前建筑中高强混凝土设计的准确依据却非常少见，下文就高强混凝土应用现状，并以前人对高强钢管混凝土实验为基础，进行了分析，提出了一些意见及建议，以供参考。
关键词：高层建筑；高强钢管混凝土；设计分析
建筑事业在不断扩大，其竞争也变得愈加激烈，为保证建筑投资商经济效益，也为减少建筑资源浪费。许多建筑商开始了针对可持续建设的研究，想要使可持续发展建筑理念变成现实，就要先将以混凝土作为主要材料的传统建筑，由非混凝土材料所代替。因混凝土材料不可持续，而非混凝土材料更符合现代可持续建设理念，例如：钢材或者钢管混凝土都是可持续材料，经过一些特殊材料加工，使钢结构及钢管混凝土结构使用范围逐渐变大。虽然如此，但是其应用非常的局限，主要用于一些海洋工程、安防及道路工程等。因为其具有强度高、自重小、体积也小，能够充分表达建筑造型等方面的优点，保证建筑质量的同时又节省了空间占用量，所以在建筑中高强建筑材料深受欢迎。正是如此，我们需要对高强钢管混凝土材料本身的诸多性能重视起来，所以下文就其材料性能及其他方面做了具体的分析与探讨。
一、材料力学性能及常温下的结构性能
1.超高强混凝土的材料力学性能
（1）单轴压力性能
超高强混凝土在压力作用下脆性非常明显，其单轴压应力-应变曲线几乎是直线。一旦加载到受压极限，混凝土柱将立即被压成碎片，几乎没有预兆以及变形过程，无延性特征。因此也无法获得应力-应变曲线的下降段，其泊松比大约为0.23，弹性模量大约为63GPa。添加钢纤维或者粗骨料可以提高超高强混凝土的延性。但即使试验时添加钢纤维和粗骨料，提高了延性，还也仍然无法测得应力-应变曲线的下降段。
（2）高温下的受力性能
超高强混凝土在高温下易碎，其碎裂是加热时由温度梯度产生的温度应力和100℃时释放水蒸汽产生的分裂力引起的。通过试验已发现含量为0.1%的聚丙烯纤维可以阻止超高强混凝土在高温下的碎裂，这是因为温度达到170℃左右时聚丙烯纤维熔化产生的空隙可有效减小蒸汽压力。实践中，在每层钢管混凝土柱的顶部和底部至少要有20mm直径的孔洞才能释放由火灾引起的水蒸汽。
2.常温下的结构性能
为了研究高强钢管混凝土柱的结构性能，本文进行了短柱轴向压力下、梁受弯以及细长梁-柱在轴心和偏心压力下的试验。短柱试验采用了35个低碳钢圆钢管试件，5个低碳钢方钢管试件，16个高强钢材方钢管试件。梁试验采用了3个低碳钢圆钢管试件，1个低碳钢方钢管试件，4个高强钢材方钢管试件。对于长细比为18～20的细长梁-柱轴心和偏心荷载试验，采用了9个低碳钢圆钢管试件，1个低碳钢方钢管试件，4个高强钢材方钢管试件。
（1）延性
在建筑中，材料的选择一定要符合建筑屈曲性，但是材料大多数都存在脆性，高强混凝土同样也有脆性，但是据调查和实验可知，普通混凝土的延展性较其他材料高，比其他材料具备更有利的改造空间，所以利用其进行高层建筑的时候，可以利用这一特性对其进行改造，增加其的含钢量，使其可以在建筑中更好的发挥其特性，保证建筑的稳定性。
（2）套箍效应
对于高强钢管混凝土，核心混凝土压碎要先于钢管混凝土屈服，而且在荷载-位移曲线的弹性阶段，超高强混凝土的泊松比要比钢材的小。因此，在达到第一峰值荷载之前，并没有明显的套箍效应发生。因此，高强钢管混凝土不应考虑套箍效应。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆试验结果与欧洲规范EN1994-1-1Eurocde4预测结果之比与不同混凝土强度关系图。试验数据虽已经扩展至抗压强度达到180MPa的超高强混凝土，但是仍需对采用混凝土抗压强度120～150MPa
二、火灾作用下的结构性能
本文对超高强混凝土和高强钢材组成的高强钢管混凝土试件进行了在ISO-834火情况下的22组试验。试验参数为截面形状(圆形和方形)、单管、双管、截面尺寸、钢管厚度、钢材强度、荷载等级、边界条件、荷载偏心距以及耐火材料厚度。所有圆钢管柱均采用了热轧钢S355，所有方钢管柱均由四块高强钢板焊接而成。为了保证高强钢管混凝土柱在火炉外施加荷载和支撑，所有的柱子均设计为3.81m长(包括端板的厚度)。此外，所有柱子的截面尺寸在200～300mm之间。混凝土通过注浆管泵入钢管的底部，同时添加了含量为0.1%的聚丙烯纤维来阻止混凝土在火中碎裂。耐火材料为波特兰水泥、珍珠岩、蛭石和水的混合物。高强钢管混凝土柱制作好后用刮刀在表面涂抹耐火材料。在每个柱子上留8个直径为10mm的圆形蒸汽孔来减少加热过程中混凝土内部产生的蒸汽。超高强混凝土和高强钢材组成的高强钢管混凝土柱在火中的破坏模式。通过观察可知，试验中没有发生碎裂现象。不同于常温下试验的是高温下的试验没有听到开裂噪声。试验中大部分耐火材料脱落。大多数高强钢管混凝土柱由于完全屈曲而破坏，只有3个高强钢管混凝土柱是由于截面承载力不足而破坏。一个高强方钢管混凝土柱发生了焊缝开裂，焊缝开裂是由于混凝土膨胀力横向传递造成的。因此，焊缝承受了高温下的横向拉力。但是，其他高强方钢管混凝土柱并没有发生焊缝开裂，这是因为这些高强方钢管混凝土柱的破坏温度低于焊缝的开裂温度。所以，这些柱子的焊缝强度基本没有降低且没有破坏。但是，高强方钢管混凝土柱在火中的焊缝破坏模式可以通过提高焊缝质量的方式有效地避免，如采用合适的焊条(低氢焊条)。焊缝破坏模式表明高强方钢管混凝土柱在压力下会过早地破坏。将试验所得耐火时限与欧洲规范EN1993-1-2Eurocode3中简化计算模型(SCM)所预测的耐火时限进行对比。简化计算模型只能适用于轴压作用下的柱，大多数试验得出的耐火时限比欧洲规范EN1993-1-2Eurocode3预测的长，表明根据欧洲规范EN1993-1-2Eurocode3设计是相对保守的，其平均值为1.114，标准差为0.229。总的来说，简化计算模型可以用来计算高强钢管混凝土柱在火中的抗力。
结束语：
结合上文可知，目前高层建筑是城市未来发展的主流，所以保证其性能及质量的同时又要节省材料，就要进行合理的材料选择。高强钢管混凝土材料有很好的延性、抗火力等特性，但在设计中仍然需要注意以下几点：
（1）高强砼存在脆性，不利于其在建筑上的运用，但是钢筋具有很好的延性，所以要对高强钢管砼的含钢量严格控制，以确保它在建筑中的使用效果。
(2)高强钢管混凝土柱不应考虑套箍效应。
(3)钢管混凝土构件受弯时延性很好，可以达到塑性抵抗弯矩。
(4)超高强混凝土在高温下的碎裂是非常重要的问题，添加聚丙烯纤维可以克服这个问题。
(5)在高温下，高强混凝土比普通混凝土的强度减小量要小，高强钢材(S700)比低碳钢(S275和S335)的强度减小量要大。
(6)根据本文试验研究，欧洲规范EN1994-1-1Eurocde的适用范围可以扩展至常温和高温下的C180混凝土和高强钢材S700的高强钢管混凝土设计。对试验数据库的深度分析表明，还需进行更多试验来研究混凝土强度等级在C120～C150之间的高强钢管混凝土构件。
参考文献：
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论文作者:李建文,乐楠
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：混凝土论文; 钢管论文; 建筑论文; 材料论文; 低碳钢论文; 延性论文; 钢材论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;