钢纤维混凝土在高层建筑抗震结构中的应用探究

叶子超

身份证号码：450403198512061810 广西省南宁市 530021

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

前言

高层建筑在我国发展迅速，已建成的高层建筑中，大部分采用钢筋混凝土结构和钢-混凝土混合结构，在今后一段相当长的时间内，混凝土材料仍是高层建筑结构中的主要材料。混凝土的自重大，脆性大，抗拉强度低，对抗震不利，在高层建筑结构中其不利影响更加突出。为使结构达到抗震设防目标，抗震结构应具有良好的整体抗震性能，即应具备足够的承载力、刚度和延性，结构的延性设计是高层建筑结构抗震设计的重点和难点，必须采取综合措施才能实现良好的延性。研究证明，在高层建筑结构中局部采用钢纤维混凝土是改善结构延性、提高抗震性能的有效途径之一。作为一种复合材料，钢纤维混凝土主要是通过在混凝土中掺入适量钢纤维，经过拌和凝结而成。与传统混凝土相比，钢筋纤维混凝土不仅抗拉强度更大，而且混凝土构件的抗裂耐久能力也更好，能够加强混凝土的延展性；另外，钢纤维混凝土能量吸收效果也比较好，抗冲击能力很强，对于高层建筑结构的抗震性也有很大的帮助和提高，是近年来逐渐推广的混凝土复合材料。

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、抗弯、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、基體水灰比和水泥用量、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、钢纤维增强混凝土的基本理论

（一）复合力学理论复合力学理论是以连续纤维复合材料理论为基础，结合钢纤维在混凝土中的分布特点形成的。该理论是将复合材料视为以纤维为一相，基体为另一相的两相复合材料。

（二）纤维间距理论。纤维间距理论又称纤维阻裂理论，是1963年由J.P.Romualdi和J.B.Batson提出来的。该理论根据线弹性断裂力学理论解释纤维对裂缝发生和发展的约束作用，认为欲增强混凝土这种本身带内部缺陷的脆性材料的抗拉强度，必须尽可能地减少内部缺陷的尺寸，提高韧性，降低裂缝尖端的应力强度因子、减少裂缝尖端的应力集中作用，故在裂缝处用纤维连接，受拉时跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的上下表面，使裂缝处材料仍能继续承载，这样，因裂缝的出现孔边应力集中程度就缓和，随着桥接裂缝纤维数目的增多，纤维间距越小，缓和裂缝尖端应力集中程度越大，对裂缝尖端产生的反向应力场也越大，当纤维数量增加到密布于裂缝时，应力集中就会消失，进一步表明纤维的阻裂效应，即在复合材料结构形成和受力破坏的过程中，有效地提高了复合材料受力前后阻裂引发与扩展的能力，达到钢纤维对混凝土增强与增韧目的。

（三）界面应力传递的剪滞理论。钢纤维混凝土中钢纤维周围的水泥基体结构与自身结构是不相同的，即在钢纤维与基体之间存在着界面层。钢纤维混凝土的性能主要取决于混凝土基体性能、钢纤维含量以及它们之间的界面特性。假定界面是一层厚度可以忽略的薄层，但具有一定的力学性能。当荷载作用于钢纤维混凝土时，荷载一般先施加于低弹性的基体，然后通过纤维-基体的界面，把一部分荷载传递给高弹模的纤维，使纤维和基体共同承担荷载，从而起到增强的作用。

三、钢纤维混凝土在高层建筑抗震结构中的应用

钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐冲击、耐疲劳、高韧性等物理力学性能，目前已被广泛应用于建筑工程、水利工程、公路桥梁工程、公路路面和机场道面工程、铁路公程、管道工程、内河航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。

（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