高强混凝土在高层建筑结构的应用及发展

　　高强混凝土在高层建筑结构的应用及发展

　　摘 要：随着高层、超高层建筑及大跨度结构的发展需要, 一般的普通混凝土已逐渐不能满足工程需要。高强混凝土(High Strength Concrete)作为一种新的建筑材料,以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性,在高层建筑结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。

　　关键词：高强混凝土；高层建筑；钢骨混凝土柱；应用及发展；

　　混凝土和钢是构成现代建筑结构的重要建筑材料，它们本身性能的改善以及相互组合方式的优化，促进了建筑结构从构件到体系的不断创新发展．例如，沈阳富林广场(30层，高125m，筒体一框架结构)成功地在底部8层钢管柱中泵送浇注了C100级混凝土，它标志着我国的高强混凝土研制已达到国际先进水平，同时也向结构工程师提出了更重要的课题：混凝土材料科学已经大踏步前进，结构设计和研究工作者应当在工程中如何更合理、更有效地应用高强、高性能混凝土，以推动建筑结构的全面进步。尤其是让高强混凝土如何在高层建筑结构上的合理应用，达到在满足使用功能的同时，让结构更加合理、具有更强的安全性和可靠度。

　　1高强混凝土概述

　　在20 世纪50 年代,高强混凝土的强度是35MPa ,60 年代是40～50MPa ,70 年代60MPa。目前,强度在100MPa 以上的高强混凝土,已经有了不少的应用实例,甚至已经研制出强200～800MPa的超高强混凝土(RPC) ,其中200MPa 的超高强混凝土已经有了应用。

　　1.1高强混凝土基本概念

　　高强混凝土是指C45及其以上强度等级的混凝土。高强混凝土作为一种新的建筑材料,以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，高强混凝土是用常规的水泥、砂、石作为原材料,使用常规的制作工艺,依靠掺加高效减水剂和少量的活性粉末而形成的。由于是一种复杂的非匀质材料, 原材料不同的混凝土, 其强度高低差异很大。对高强混凝土而言, 影响强度的因素比普通混凝土更为复杂, 主要体现在以下几方面：

　　1) 胶凝材料：影响混凝土强度的主要因素。配制高强混凝土,应采用矿物组成合理, 细度合格的高标号水泥,应选用标号不低于525号的优质水泥。配制C60及以上强度等级的混凝土所用水泥，其活性不应低于55 MPa。此外，水泥用量不仅直接影响到水泥石与界面的粘结力, 而且也影响施工中的工作强度；因此水泥用量比例应适当，用量过少强度必然不足，但含量过高则会引起水化放热速度太快或收缩量过大等问题，一般用量不宜超过550kg/m3。总之，选择水泥的依据是在既定抗压强度的前提下，以经济适用为准。

　　2) 集料：粗集料在混凝土中起主要骨架作用，应采用高强度集料和活性集料。根据规范配制高强度混凝土时，必须采用强度指标大于2的粗集料。另一方面, 制备高强混凝土，应采用立方形的碎石,表面应干净而无粉尘,否则势必影响混凝土内部的粘结力。对C60及其以上强度等级的混凝土, 其集料最大粒径不宜超过31.5 mm。配制高强混凝土时, 细集料宜选用中砂, 其泥的质量分数不宜超过2%，细度模数2.4≤m≤3.0。

　　3) 水及外加剂：为加深水泥颗粒的水化作用,从而提高混凝土的强度, 可利用磁化水来提高活性。一般情况下, 无影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质, 且pH> 4的水均可采用。对于外加剂, 国内常采用高效能减水剂与高标号水泥掺配使用, 常见用于配制高强度混凝土的减水剂主要有NNO,MF及木质素磺酸盐系等。

　　1.2高强混凝土性能

　　就高强混凝土的力学性能指标主要轴压、轴拉、劈拉强度以及弹性模量与其立方体抗压强度，它们之间的关系于普通混凝土有着较大的差别。与普通混凝土相比HSC主要的优点就是强度高。除此之外，高强混凝土还具有耐久性好，致密性好孔隙率低等优点。下面就高强混凝土的优点做简单介绍：

　　1) 高强混凝土的抗压强度高：我国规范上给的混凝土强度等级达到了C80，而实际上可达C100甚至更高，而活性粉末混凝土的强度等级可达C200。由于高强混凝土抗压强度高，可增加构件的承载力，在使构件达到相同承载力的时候，可减小构件的截面尺寸。例如，1000mm×1000mm 的C30混凝土柱的抗压强度设计值约为14300kN，而相同承载力的C80混凝土柱，其截面尺寸仅为631mm×631mm。因此在实际工程中使用高强混凝土可减少受力构件截面尺寸。

　　2) 高强混凝土具有结硬快、早期强度大：这可缩短工期，提高施工效率，提前使建筑交付使用，同时也间接地节约了成本。

　　3) 高强混凝土耐久性、抗渗性：由于，高强混凝土有着良好的致密、坚硬性使得高强混凝土可在遭受海水侵蚀的环境、受高速流体冲刷得环境以及在遭受酸碱盐环境中使用。

　　2高强混凝土在高层建筑应用

　　由于高强混凝土有着抗压强度高、抗变形能力强，20 世纪90 年代以后，随着高层建筑、超高层建筑如雨后春笋般在各大城市中出现。大部高层及超高层建筑都是使用了高强混凝土。例如，国外：竣工于1990 年的美国芝加哥311瓦克大厦，使用了C85 的高强混凝土；马来西亚双塔大厦在1997顺利建成，是新吉隆坡的象征，共有88层，底部的柱与筒体用C80高强混凝土,往上改为C60 ,再高处用C40；国内：深圳帝王大厦地王大厦目前为深圳第一高层建筑，楼高383.95m, 该建筑应用了C60高强混凝土；上海金茂大厦，总高度为420.5m，应用了近13500m3的C60高强混凝土等。据不完全统计,目前国内高度超过100m 的高层建筑中,用高强混凝土做钢筋混凝土墙柱、钢管混凝土柱以及钢骨混凝土柱的已经超过40余座,遍布全国各地,其中混凝土设计强度等级大都为C60,个别已经达到C80。这都说明HSC正越来越多的应用到高层建筑结构上。

　　2.1高强混凝在高层建筑的具体应用

　　高层建筑钢筋混凝土结构由于受到复杂荷载作用，可采用框架、剪力墙、框架－剪力墙、筒体和板柱－剪力墙结构体系。高层建筑结构规范规定的混凝土强度等级不宜低于C30。目前，我国高层、超高层建筑普遍应用的混凝土强度一般在C60～C80,部分超高层应用到更高的高强混凝土。因为，大量应用高强混凝土意味着在同等受力情况下与普通混凝土相比，有着很好的设计和经济效果：

　　a) 减小受力构件的截面尺寸，减小了混凝土用量，从而减少结构自重。当结构自重占的比例较大时尤其对于高层、超高层建筑来说，应用高强混凝土就有着特殊的意义，并且大大减轻了地基基础的荷载；增加建筑物高度和跨度；增大了房屋使用面积、美观。

　　b) 节省钢筋用量。高层建筑柱的截面是有轴压比确定的，而且大部分柱子的截面配筋是按照最小配筋率构造配筋。所以在截面尺寸减小后纵向受力筋随之减少；箍筋的体积配筋率有所增加，节约建筑工程材料、经济效果好。

　　c) 有利于抗震。首先，由于采用HSC能有条件控制柱的轴压比n较小一些，有利于提高柱的延性，从而提高柱的抗震性能；同时，采用HSC使柱的截面减小了，增大了间跨比（M/Qh）、减小了减压比（Q/bhRa），提高柱的抗剪强度，改善了框架的变形能力。再次，采用HSC提高了柱和节点的体积含筋率改善柱的延性提高抗震能力；同时可使高层建筑框架的宽度不小于柱的截面宽度，相对提高了梁对柱的约束能力。

　　目前，随着高强混凝土技术的发展，主要以下方面具体应用到高层、超高层建筑结构中：

　　1) 钢骨高强混凝土柱：钢骨高强混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效施工技术，充分利用了HSC和型钢两种材料的力学性能。它将对新世纪土建工程的技术进步产生深远的影响。钢骨高强混凝土柱是在高强混凝土内放置型钢，常用的型钢截面有十字形和方管形，属于劲性配筋高强混凝土柱。由于钢骨混凝土柱不仅很好的解决了高层建筑“胖柱”问题，而且增加了结构的延性，提高了抗震能力，所以这种结构在建造高层、超高层建筑结构中，体现出了明显的优点。

　　2) 高强混凝土剪力墙：钢筋混凝土剪力墙是一种广泛应用于高层建筑的抗侧力构件。由于剪力墙具有较大的抗侧力刚度,它在结构体系中往往承受大部分水平力。在抗震结构中,其抗震性能好坏对整个房屋的抗震性能影响很大。在剪力墙结构分析中,墙体的截面刚度是一个必须计算的重要参数。由于，高强混凝土提高剪力墙的强度、抗侧刚度；特别是在一定的配筋率HSC剪力墙在低周反复水平荷载作用下,随着荷载和变形的增加,剪力墙的截面刚度逐渐退化，说明有很好的抗震延性，对整个结构是有利的。同时，考虑到强的剪力墙的抗侧刚度增加，可以适当的减少剪力墙的厚度和数量。

　　3展望与发展

　　混凝土出现100 多年以来,朝着高强高性能化方向发展非常迅速。高强混凝土在近20 年左右，已经在世界各地获得了比较广泛的应用。高强混凝土是建筑材料发展的方向之一。具有很高的科技含量和广大的发展前景。伴随着中西部地区的发展和我国经济的腾飞， 高强混凝土的使用必将更加广泛随着经济的不断发展，高强混凝土必将成为主要的建筑材料。同时，随着高层建筑向着跨度大、更高方向的发展，高强混凝土在今后的高层建筑结构领域将会发挥其不可替代的作用。