型钢活性粉末混凝土柱抗震性能研究综述★

王 琨，徐冠普，李新宇，时金雨

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127; 2.江苏邗建集团有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

型钢混凝土柱是指在普通钢筋混凝土柱中采用增配型钢以有效地减小柱构件的截面尺寸,增大柱构件的刚度与承载力的一种新型构件类型,已在大跨、重载等各种主体结构中研究并得到了广泛应用。但是，随着我国社会和经济的发展,建筑结构逐渐朝着超高、超大规模的方向发展,并且在易于冻融和易于受水侵蚀的环境中也广泛应用,混凝土在力学性能和耐久性能上都提出了新的技术要求。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)作为高性能混凝土,由于其较好的抗震性能、高强度、优异的耐久性、延性等许多重要优点而在建筑工业中已经得到了广泛的技术应用[1-3]。本文主要结合了普通的型钢混凝土和活性钢与活性粉末混凝土结构的各自独特之处,将对RPC的研究应用到普通型钢混凝土柱中，这种采用新材料工艺的型钢结构柱可以有效减小柱截面尺寸、提高截面的承载能力以及具有较高耐久性能等优点。

1 活性粉末混凝土研究现状

1.1 活性粉末混凝土的研究历史

我国对活性粉末混凝土的研究开始于21世纪初。湖南师范大学的何峰教授于2000年通过实际科学试验深入地分析研究了各种原材料品种、性质和其配合比对RPC整体的抗压强度的直接影响，在未掺钢纤维材料的高温养护条件下RPC的抗压强度一般都可以保证达到229 MPa，同时还能够使其具备较好的流动性；在掺钢纤维材料以及相同高温养护条件下，其RPC的抗压强度可以高达298 MPa。

2020年，徐锦超、薛文等[4]开展交叉对照试验来优化活性粉末混凝土配合比。试验结果表明，相比于河砂，使用石英砂的RPC的抗压强度提升了23%；选用较低铝酸三钙含量的水泥有利于提升混凝土早龄期抗压强度；80 ℃的热水养护条件能有效地增强粉煤灰的活性，提高混凝土早期水化程度，使RPC的抗压及抗折强度在3 d龄期内快速提升。

2020年，王秋维、史庆轩等[5]基于最紧密堆积原则对RPC配合比进行设计，对RPC在热水养护制度下的抗压性能和变形特性进行试验研究。结果表明，水胶比、钢纤维体积分数和硅灰掺量对RPC抗压强度影响较大，立方体抗压强度随着水胶比的降低而减小和钢纤维体积分数的增加而增大，当水胶比中硅灰掺量降低到25%时，RPC的立方体抗压强度最高，最后提出一种边长为100 mm的立方体抗压强度标准值作为主要依据的RPC强度等级划分方法。

2021年，杨立云等[6]采用三维数学图像相关方法对不同玄武岩纤维掺量下的活性粉末混凝土进行单轴压缩破坏过程观测，结果表明，RPC破坏过程大致可以划分为4个阶段，即原生裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹加速扩展阶段，随着玄武岩纤维掺量的增加,破坏模式逐步从拉剪破坏转入到剪切破坏。

1.2 活性粉末混凝土柱的研究现状

活性粉末混凝土具有超高强度、高韧性、高弹性模量等优点，其结构构件的滞回性能与普通混凝土结构构件相比具有不同的特点。2004年，赵冠远等[7]通过4个小比例RPC矩形截面柱的拟静力试验来分析配箍率对RPC配筋柱延性的影响，试验研究结果表明，构件在总体设计上充分体现了良好的滞回性能以及强度衰减缓慢，表明RPC具有较好抗震性能；在保证纵筋的屈服强度以及剪切强度的情况下，在实际工程中可以大幅度减少纵筋以及箍筋的数目，取得很好的经济效益。

2013年，鞠彦忠、王德弘等[8]考虑了轴压比、纵筋配筋率、配箍率以及钢纤维体积含量对18根活性粉末混凝土柱的抗震进行低周反复试验。研究表明，在试验轴压比范围内，轴压比越大，活性粉末混凝土配筋柱的承载能力就越高，同时相比于低轴压比试件，高轴压比试件破坏时塑性区高度更高；配筋率和配箍率对试验柱的抗震性能具有显著影响，随着配筋率和配箍率的增加，活性粉末混凝土配筋柱具有更加饱满的滞回曲线，延性性能及耗能能力均有所改善。

1.3 RPC的应用

目前，我国RPC主要广泛应用于铁路桥梁。2008年，在蓟港铁路北塘西至东大沽扩能改造工程中，采用高度1 800 mm、跨度32 m的T形RPC梁，成功解决了受苛刻实地条件影响线路跨线净高受限的问题[9]。

哈尔滨工业大学的王德弘等[10]将RPC运用于混凝土梁柱节点的滞回性能的研究中，发现RPC中的钢纤维有效地抑制核心区混凝土的剥落，使试件依然具有完整性，同时梁柱节点具有良好的力学性能。同时，因为活性粉末混凝土结构具有很高的承载能力，构件的截面尺寸得到了进一步减小，大大增加了建筑的使用空间；混凝土的用量大幅度减小，对环境起到了良好的保护作用。

2 型钢混凝土柱抗震性能研究现状

型钢混凝土结构是将型钢和钢筋混凝土优化组合在一起而形成的新型组合结构体系[11]。我国对型钢混凝土的研究较晚，近几年随着经济的发展，型钢混凝土结构在理论研究和工程应用中得到迅速发展。

2018年，杨怡亭等[12]对已完成试验的7根型钢混凝土柱在低周反复荷载下的受力性能进行了模拟分析，结果表明，大剪跨比、低轴压比、高配箍率及高含钢率的高强型钢混凝土柱滞回环更趋于较为饱满的梭形，试件的极限变形能力更强，随着配箍率和含钢率的提高，试件的极限承载力和延性性能均有所提高，且变化幅度均较小。

2020年，栗莎、贾小盼[13]利用数值模拟与理论分析相结合的方法来研究2种新型截面型钢混凝土柱的抗震性能。采取有限元软件ABAQUS建立了型钢混凝土柱模型,分析了型钢混凝土柱在低周反复载荷作用下的抗震性能,并与已有试验结果进行相互对比,验证了所建有限元模型的适用性与正确性。在此基础上,通过大量的数值模拟,并与普通型钢混凝土柱相比较,得出2种新型型钢混凝土柱抗震性能均明显优于普通型钢混凝土柱,尤其是对角布置十字型钢可使型钢充分发挥作用,在很大程度上改善了构件的抗震性能。

2020年，刘祖强、周昕等[14]通过试验理论研究和有限元模拟相结合的研究方法深入分析了配钢率对于试件抗震性能的直接影响，结果表明，配钢率增加可以有效抑制混凝土裂缝的开展，延缓了试件的破坏，随着配钢率的增加，试件的滞回环面积越来越大，承载力显著提高，延性有明显改善，刚度变化变缓，但耗能能力变化较小。

2021年，张琪等[15]对6根采用不同区域约束混凝土的型钢混凝土柱进行拟静力往复荷载对比试验，结果表明，型钢区域约束混凝土柱受力均匀，能有效地抑制贯通斜裂缝的发生，有效地避免脆性剪切破坏，同时型钢区域约束混凝土柱在高轴压比下具有良好的力学性能和抗震性能，宜加以广泛推广使用。

3 结语

1)相比于普通混凝土而言，活性粉末混凝土具有较高的强度、延性和耐久性能等诸多优点。但其制备工艺、养护工艺要求均较高，很难在实际工程中满足这种最优浇筑和养护条件，在中国的推广应用还需要进一步研究，来取得良好的社会效益和经济效益。

2)开展型钢与活性粉末混凝土黏结性能试验。在试验后期柱型钢翼缘处出现竖向裂缝，并不断扩展延伸，型钢和混凝土之间将产生较大的相对滑移，因此有必要考虑型钢混凝土柱在地震荷载作用下的黏结滑移问题，并建立相应的黏结滑移分析模型。

3)本文简要总结了对活性粉末混凝土的力学性能方面的研究以及RPC柱抗震性能研究现状，分析了型钢混凝土柱抗震性能，依据型钢混凝土柱的抗震性能试验，型钢活性粉末混凝土柱的抗震性能的影响因素可以概括为以下几点：轴压比、配箍率和配筋形式、配钢率及配钢形式。为以后开展型钢活性粉末混凝土柱抗震性能试验提供了很好的借鉴，能使型钢活性粉末混凝土柱研究更加深入，并最终应用于实际工程中。