钢管自密实高性能混凝土的研究与应用.pdf
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1、2 0 0 7年 9月 第 4卷 第 3期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 3 S E P 2 0 0 7 钢管自密实高性能混凝土的研究与应用 谭伟 尧国皇 黄用军 孙素文 ( 中建国际 深圳 设计顾问有限公司) 【 摘要l 自密实混凝土用于钢管混凝土结构 中,它可在 自重或少振捣的情况下就能自密实成型,对方便 钢管混凝土的施工,消除施工噪声危害,确保工程质量具有重要意义。本文首先介绍了自密实高性能混 凝土的发展概况,然后介绍了钢管 自密实混凝土柱的相关研究成果和 自密实高性能混凝土在钢管混凝土 高层建筑结构 中应用的典型工程实例, 最后提 出了一些钢管 自密实混凝土研究和应用中的若干
2、关键 问题。 本文有关结论可供相关工程 实践参考。 【 关键词l 自密实混凝土钢管混凝土研究应用 中图分类号:T U 3 9 8 文献标识码:A 文章编号: 1、前 言 自密实 高性 能混凝 土是 一种新 型高技术混 凝 土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用 现代混凝土技术制作的混凝土 ,它以耐久性为设计 的主要指标 。针对不 同的用途要求 ,高性能混凝土 对下列性能有重点地予 以保证 :耐久性 、工作性 、 适用性 、强度 、体积稳定 性和经济 性 。因此 ,具 有高施工 性 、高体积稳定 性 、高抗渗性 、高耐 久 性及高强度等优 点 1 1 z - 。钢管混凝土具有承载力高 、
3、塑性和韧性好等诸多优点 ,在工程实践 已经得到越 来越广泛的应用 3 I 。如果将 自密实高性能混凝土灌 入钢管 ,形成钢管 自密实高性 能混凝土,更能充分 发挥两种材料的优 点。高流态 自密实混凝土很适合 于在钢管混凝土结构 中应用 ,它可在 自重或少振捣 的情况下就能 自密实成型,对方便钢管混凝土的施 工 ,确保工程 质量具有 重要意 义 。 本文首先介绍 了自密实高性能混凝土的发展概 况 ,然后介绍了钢管 自密实混凝土柱 的相关研究成 果 ,和 自密实高性能混凝土在钢管混凝土高层建筑 结构中应用的典型工程实例 ,最后提 出了一些钢管 自密实混凝土研究和应用 中的若干关键 问题 。本文 有
4、关结论可供相关工程实践参考 。 谭伟,男,中建国际 ( 深 圳 )设计顾 问有 限公司 地址 : 深圳市福田区福华 一路 9 8号卓越大 厦 5楼 邮编: 5 1 8 0 3 3 2 、自密实高性能混凝土的发展概况 自密实高性能混凝土是 1 9 8 6 年 日本东京大学土 木系冈村甫教授在 日本水泥协会主办的混凝土讲习会 上提出的,并于 1 9 8 9年在东京大学进行 了现场浇筑 演示 ,引起 了混凝土业 内人士 的惊叹。 自密实混凝 土是高性能混凝土的一种 ,其最大的优 点是能够在 自重下不用振捣 ,通过密布钢筋 , 自行填充模板内 的空间并保持 自身的均匀性和密实性 ,形成密实的 混凝土结
5、构。 自密实混凝土与普通混凝土相 比具有 下述优 点 1 , 2 : a )填充性能好 , 自密实混凝土能够通过钢筋密 集、结构的截面比较复杂的工程部位,填充密实 ,确 保结构的高均质度 ,从而保证其工程质量 ; b)节省劳动力 ,降低 劳动强度 ,加 快施工进 度 ,从而 缩 短施 工周 期 ,提 高效 率 ; C)消 除施工 噪声危 害 ,改善环境 。 以往 ,对 自密实混凝土抗压强度 、弹性模量、 坍落度 和抗渗性等指标 以及 自密 实混凝土的收缩 、 徐变性能和抗渗性 能已经进行较为深入的研究 引, 研究结果表 明, 自密实混凝土具有 良好 的抗渗性和 耐久性能。自密实高性能混凝土 4
6、 1 i o 在 自重或少振捣 的情况 下就能 自密实成型 ,对方便混 凝土的施工 , 节约劳动力投资,减轻噪音污染,确保工程质量具 有重要意义。图 1 给 出了 自密实高性 能混凝土拌合物 的一些 照片 。 近年来 由于在 日本不断有采用 自密实混凝土成功 1 9 维普资讯 2 0 0 7年 9月 第 4卷 第 3 期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 3 S E P 2 0 0 7 5 0 0 4 O O 3 0 0 0 d 2 o o l O 0 O ( b ) 扩展度 ( c ) 流速 图 1自密实高性能混凝土拌合物性能 6 0 0 4 8 0 善 3 6 o 2 4 0 1 2
7、 O O ( 2 ) 图 2 管 内混凝土不同浇筑方式对试件轴压弹性模 量的影响 1 4 的工程实例,美 国也开始注意该项技术 ,在我国北 京、深圳、济南等城市也开始使用 白密实混凝土, 从 1 9 9 5 年开始, 浇筑量 已超过 4 万 m 3 ,主要用于地下 暗挖 、密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑 困难的部 位 、解决扰 民 问题、缩短工 期等E 。近 几年来 , 颁布了有关 自密实混凝土结构方面的规程有福建省工 程建 设标准 白密 实高性能混凝 土结构技术规程 ( D B J 1 3 - 5 5 2 0 0 4 ) 1 2 和 2 0 0 5年由中国土木工程学会 颁布的 自密实混凝土设
8、计与施工指南( C C E S 0 2 2 0 0 4) 1 3 ,为 自密实高性能混凝土在实际工程中应 用提供了依据 ,增加 了可操作性 ,对 白密实混凝土 在土建工程中的推广应用具有较为重要的意义。 3 、钢管 自密实混凝土的研究 钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好等诸 多优点 ,在工程实践 已经得到越来越广泛 的应用 。 如果将 自密实高性 能混凝 土灌入钢管 ,形成钢管 自 密 实高性 能混凝土 ,更 能充分发挥 两种材 料 的优 点。钢管 自密实混凝土构件 的力学性 能也成为工程 界和研 究者关注的热点问题之一。 3 1 静力性能 文献 1 0 , 1 4 1 6 进行了 3 8个
9、钢管 白密实混凝土 压弯构件的实验研究,考察的参数主要有:( 1 ) 不 同的 管内混凝土浇筑方式:浇筑混凝土时,采用了三种浇 灌方式:a 、混凝土 自密实;b 、手工振捣密实;c 、采 2 0 用分层灌入法,并用 F 5 0 振捣棒伸入钢管内部进行完 全振捣 ;( 2 ) 不 同的截面形式,包括 2 2个圆试件和 1 6 个方试件;( 3 ) 截面径 ( 宽) 厚比,从 3 3 变化到 6 7 ; ( 4 ) 荷载偏心率,从 0变化到 0 3 。研究结果表 明, 管内混凝土不同浇筑方式下轴压短试件轴压弹性模量 差别不大 ,如图 2所示,图中给 出的弹性模量为同 一 组试件的两个试件的平均值。
10、文献 1 0 , 1 4 - 1 6 的 研究结果也表明 白密实混凝土压弯构件和钢管普通混 凝土压弯构件极限承载能力总体差别不大,在 8 左 右,图3 给出了典型钢管 白密实混凝土和钢管普通混 凝土压弯构件荷载 ( 肋中截面挠度 ( ) 关系 曲线的比 较 。 为了从总体上了解不同设计规程在计算钢管高性 能混凝土构件极限承载力时的差异,文献 1 0 , 1 4 1 6 对进行的实验结果进行 了验算 ,计算时,钢材 和混凝土强度指标均取标准值。计算 结果表明,采 用普通钢管混凝土的方法进行钢管 白密实高性能混凝 土压弯构件极 限承载力 的设计计算是可行的,且偏 于 安 全 。 文献 1 4 在进
11、行了钢管白密实高性能混凝土压弯 构件力学性能的实验研究以后,发现管内混凝土采 用 自密实成型和振捣成型的构件极限承载力差别不 大 。为了更进一步验证短期加载静力实验得到的结 论 ,对试件破坏后 的混凝土试样 的微观结构进行 了 O O O O O O 如 如 如 加 如 、 i 7 0 1 ) 维普资讯 2 0 0 7 年 9月 第 4卷 第 3 期 深圳土木与建筑 ( a ) 方钢管自密实混凝土 ( b )圆钢管自密实混凝土 图3荷载 ( 肋中截面挠度 ( ) 关系曲线 “ 电镜扫描实验研究。图 4 给出了两种情况下水泥浆体 的水化物 比较情况 。由于试样 的水化时问都在 6 0天 以上,而
12、且掺有粉煤灰,因此混凝土中水泥水化都 比较充分 ,针状的、刺状的 C S - H( 水化硫铝酸钙晶 体) 较多,可见, 自密实成型和振捣成型的混凝土试 样水泥水化程度基本相 同 1 4 。 ( a ) 自密实 ( 5 0 0 0 ) ( b )振捣密实 ( 5 0 0 0 ) 图 4 两种情况下水泥水化物 的对 比 文献 1 7 进行 了3 0 个钢管 自密实混凝土纯弯曲 构件 的实验研究 ,试件设计时考虑的主要参数包括 截 面 的形 式 、截 面尺 寸 、加载 方式 和试件 的剪跨 比。实验研究结果表明,所有试件 的破坏都呈现延 性破怀的特征 ,部分试件破怀时受拉 区钢管 已出现 开裂 ,图
13、 5为试件典型的破坏形态,从中可 以看到, 试件破坏时有很大的残余变形 ,表明钢管 自密实混 凝土纯弯 曲构件有 良好 的延性 。 ( b ) 图5钢管自密实混凝土纯弯构件典型的破坏形态 ” 3 2抗震性 能 文献 1 8 进行了 1 0个圆钢管 自密实混凝土和 8 个方钢管 自密实压弯构件 的滞回性能试验研究,研 究了参数如轴压 比 ( 0 0 4 - 0 6) 、钢材强度 ( 2 8 2 4 0 4 M P a )和混凝土强度( 9 0 4 M P a 一 1 2 1 6 M P a )对 钢管 自密实混凝土压弯构件荷载 一 变形关系曲线、极 限承载力和耗能能力的影响,并考察了这类构件 滞
14、回 曲线刚度退化的规律 。研究结果表 明,钢管 自密实压弯构件 的滞回 曲线饱满 ,没有明显 的捏缩 现象 ,具有 良好的延性和耗能性能,图 5给 出了典 型的钢管 自密实混凝土压弯构件实测的 严 滞回 曲 线。 ( 1 ) 圆钢管自密实混凝土构件 ( a ) S H 2 ( b ) S L 3 ( 2 ) 方钢管自密实混凝土构件 图5典型的钢管自密实混凝土压弯构件实测的 户 L 滞回曲线 2l 维普资讯 2 0 0 7 年 9月 第 4卷 第 3期 深圳土木与建筑 3 3温度和收缩特性 钢管 自 密实混凝土中核心混凝土的的水化热和收 缩特性,这些也是 目前有关工程界所关注 的热点问 题。文献
15、 4 在研究核心混凝上的水化热的变化规律 时,以截面尺寸为) 考察参数 。在进行核心混凝上收 缩特性的研究时,则以试件截面形式和截面尺寸为 要参数,同时还考察 了钢管混凝上和素混凝上试件 之 间 的差异 。 研 究结果表 明 ,钢管 自密实混凝土试件截面 各测 点的温度都是先下 降然后持续上升达到峰值 , 接着急剧下跌直至趋近于室 内大气温度,温度 的峰 值出现在混凝土浇筑后 的 4 5小时左右,圆试件截面 中心温度的峰值为为 4 1 9 9 ,方试件截面 中心温度 的峰值为为 4 7 7 4 。 C。分析结果表 明,水泥水化阶 段钢管混凝土的温度场的变化规律与普通混凝土构件 类似 。图 6给
16、出横截面外尺寸为 1 O 0 0 m m钢管混凝土 试件水泥水化阶段截面温度实测 曲线,混凝土的初 始平均温度为 2 9 7 。 时 Ix ( 灭) 图6实测的温度与时间关系曲线 文献 4 对钢管 自密实混凝土试件的长期收缩性 能也进行 了研究,图 7给 出了收缩实验时试件的情 景,图8 给 出了不同时间情况下钢管 自密实混凝土核 心混凝土的收缩值与对应 的素混凝土试件实测结果的 比较 ,可见钢管 自密实混凝土 的核心混凝土的收缩 要 比同条件 下裸露的素混凝土小很多,例如 3 0 0天 时,对于截面外直径为 2 0 O m m的试件 ,核心混凝 土 2 2 ( a ) 素混凝土试件 ( b
17、) 钢管 自密实混凝土试件 图7收缩实验时试件的情景 的收缩值只有素混凝土的 4 4 ;对于截面外直径为 1 O 0 0 m m的试件,核心混凝土的收缩值则只有素混凝 土的 3 0 。主要原因在于:1 )核心混凝土在养护 成型和使用阶段均处于密 闭状态,与周围环境基本 上没有湿度交换,其收缩变形将主要是化学收缩及 自收缩;2 )核心混凝土沿钢管混凝土构件的轴向收 缩会受到其外包钢管的限制等i 4 。 4、钢管 自密实混凝土的应用 以上介绍了钢管 自密实混凝土研究方面的相关成 果,以下简要介绍 自密实高性能混凝土在钢管混凝土 结构应用的典型实例 。自密实高性能混凝土在钢管混 凝土高层建筑和桥梁结
18、构中已有不少的应用,限于篇 幅, 本文仅介绍其在高层建筑结构中应用的相关工程 ( 见图 7 ) 。 4 1深圳华润中心( 二期 )君悦酒店 华润中心二期君悦酒店位于深圳市,地下室共 3 层,地上结构由四层裙房和三十八层塔楼组成,其 , ( 天 ) 图8钢管混凝土和素混凝土收缩的比较 维普资讯 2 0 0 7年 9月 第 4卷 第 3 期 深圳土木与建筑 中塔楼结构地上高度 1 9 4 6 5米 , 由中建 国际 ( 深 圳 )设计顾 问有限公司与美国 R T K L建筑师事务所共 同设计完成。结构形式采用多简体 +方钢管混凝土柱 +钢梁 的混合结构 。 标准层层高 3 6米 ,每节柱 7 2米
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