区域约束混凝土在工程中的应用分析

区域约束混凝土在工程中的应用分析

【摘要】约束混凝土（Confined Concrete），广义讲是利用外部约束，改善混凝土自身原有受压特性，以提高其抗压强度及延性的混凝土。外部约束材料包括钢材（钢筋、钢管、型钢等）、纤维材料等。狭义的约束混凝土即钢筋混凝土，利用钢筋的抗拉性能来提高混凝土的抗压强度和延性。针对当前世界各地地震频繁的现象，本文比较分析了区域约束混凝土受力特点，提出了区域约束钢筋混凝土结构在抗震设计中的合理设计建议。

【关键词】区域约束混凝土抗震性能延性结构应用

1.引言

钢筋混凝土是在19世纪中叶开始得到应用的，由于水泥和混凝土刚刚问世，同时设计计算理论尚未建立,所以发展比较缓慢。19世纪末,随着生产的发展,以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，钢筋混凝土在以后的两百年得到了飞速发展，各种形式的约束混凝土结构随之出现。人们对约束混凝土的研究始于20世纪30年代，并逐渐形成了钢管混凝土、碳纤维约束混凝土、钢筋约束混凝土三大体系。其中，钢筋约束混凝土的应用和研究最为广泛。曹新明教授提出了区域约束的概念[1]，以往的研究均是将构件截面作为整体进行约束，而且强调横向箍筋对混凝土的约束作用，其实约束混凝土中纵向钢筋与横向箍筋有着同等重要的作用；再者，尽管约束可以提高混凝土的强度和延性，但是构件在受力时并非所有的地方都需要有强约束，有效而经济的做法应该是在需要的地方施加有效约束。区域约束混凝土概念的提出，突破了传统思维模式，以一个全新的视角考察钢筋混凝土结构中各个组成成分的功能，通过调整纵向钢筋及横向箍筋的布置方式，改变了混凝土、纵向钢筋及箍筋的受力机理，并将区域约束与整体约束有机地结合，使钢筋与混凝土的结合更为紧密，充分发挥了各个组成部分的性能。

2.关于约束混凝土

（1）约束混凝土结构约束机理[1]

对于约束混凝土构件，在混凝土受压时,由于侧向压力的约束，限制内部微裂缝的发展，能极大地提高混凝土的抗压强度。工程上运用这一现象，把以受轴心压力为主的柱子做成钢管混凝土柱（钢板焊接成为筒状或直接用大直径钢管，内浇注混凝土）、侧向密排配置螺旋形或者环形箍筋柱。在混凝土构件受到轴心压力过程中，混凝土发生与轴压力相互垂直的横向变形，内部产生裂缝，此时外围的钢管或者密排环状箍筋就发生作用，向混凝土提供径向反作用力，紧紧地约束了混凝土的横向变形，从而限制内部微裂缝的发展，以达到提高混凝土的抗压强度和延性（发挥混凝土的塑性性能，得到良好的变形效果），我们通常称钢筋对混凝土的这种约束效果为有效约束：如矩形截面柱，普通配筋情况下的钢筋对

混凝土的约束机理如图1所示。把箍筋与纵筋的连接点视为不动点，则虚线范围内为有效约束区域（拱作用）

图1矩形截面柱约束机理示意图

纵筋则可视为同时受轴向压力及弯矩的连续梁，共同为核心混凝土提供约束。当钢筋（纵筋及箍筋）配置达到一定水平后，可以有效提高核芯混凝土的强度及延性。

（2）区域约束混凝土结构特点

传统约束与区域约束：

传统矩形截面钢筋约束混凝土柱的箍筋形式主要有螺旋箍、井字箍、复合箍（图2）等，它们都是将整个截面进行约束，并在截面中心形成约束最强的约束核心。其纵筋主要分布在柱截面四边，当然这对柱体抗弯是很有效的。

图2 传统箍筋形式

区域约束混凝土旨在在最需要的地方设置约束钢筋。将约束钢筋集中布置在受压或剪压区，以便更有效提高该区域混凝土的强度及延性；并且以合理的方式布置约束钢筋。有效的约束是由混凝土、纵向钢筋及横向箍筋共同实现的，纵向钢筋的配置、横向箍筋的形态及配箍率、钢筋的强度与混凝土强度的比值都影响到约束的效果，因此，需要有合理的配置（图3）。

图3 区域约束箍筋形式

区域约束混凝土受力特点：

a.区域约束混凝土结构承载能力、强度比普通混凝土均有所提高，提高的幅度根据约束程度而定（图4）；

b.同等强度下，可以减小构件截面尺寸，减轻结构自重，从而获得更多的使用空间；由于截面减小，结构耗能略有降低，但是延性性能大幅度提高，更有利于结构抗震；

图4混凝土抗压强度与应变关系图

c.随着轴压比的提高，区域约束混凝土试件的刚度的提高略低于普通约束混凝土试件，这就使得区域约束混凝土构件在地震中耗能有所降低，安全储备相应提高；

d.在工程设计中，区域约束轴压比限值在满足配箍率的前提下，对于矩形截面柱可以比规范取值提高1.1倍，对于圆形截面柱可以比规范取值提高1.2倍[2] [3]。

3.区域约束混凝土结构的应用

区域约束混凝土定性描述了混凝土结构中各个组成成分的工作性能，箍筋的强度、混凝土的延性都得到了充分发挥，钢筋与混凝土的粘滞性及混凝土间的咬合力得到了实质改善，提高结构的承载力的同时不降低安全度。区域约束混凝土有了很强的耗能能力，可以大幅度地提高结构的抗震性能。因此当它用作多层及高层建筑中的柱子时，不仅可以减小柱子的截面尺寸，还可以扩大建筑的使用空间。并且在建筑上一改“肥梁、肥柱”的旧结构形式，使建筑更加美观，由于柱子截面的减小，必然会增加建筑的使用空间，减轻柱子自重，减少混凝土用量。这样将带来很大的经济效益与综合效益。此外，区域约束混凝土结构构造简单、施工方便，与传统混凝土结构相比，区域约束混凝土有着同样简单的构造形式，采用同样的施工方法，因此极易为施工单位所接受，便于推广使用。

当前建筑业已成为国民经济的支柱产业，约束混凝土结构在我国的发展十分迅速。合理地利用约束混凝土结构，可明显提高混凝土的承载能力，充分发挥材料的使用效率，在技术和经济上都具有很大的优越性。基于上述优势，区域约束混凝土构件可以应用于桥梁工程、高层与超高层建筑，工程中应用于受拉、受压、受弯、受扭等梁柱构件，以及一些大体积钢筋混凝土构件，如大坝、桥墩、承台等，可以充分减轻结构自重，增加使用空间。

约束混凝土结构是现代建筑最重要的结构形式之一，具有节约材料和劳动力，提高施工工效，加快施工进度，提高建筑工程的产品质量等优势。从环保和节能的角度讲，应用区域约束混凝土技术，可以减少环境污染，取得较大的经济效益。在当前狠抓工程质量，加强设计施工管理的情况下，应用区域约束混凝土技术，不仅改善了构件的受力性能，降低结构的总体造价，能够满足现代工程施工质量和效率的要求。相信在本世纪的初，我国工程建设必将出现崭新的气象。

4.结语

区域约束混凝土结构是针对工程结构设计高层、超高层钢筋混凝土以及大跨