钢纤维增强混凝土异形柱节点的技术经济分析

康丽华，张 帅，樊玉敬

（1.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2.中扶建设有限责任公司山西第一分公司，山西太原 030000；3.河北省环境地质勘查院，河北石家庄 050021）

钢纤维增强混凝土异形柱节点的技术经济分析

康丽华1，张 帅2，樊玉敬3

（1.河北科技大学建筑工程学院，河北石家庄 050018；2.中扶建设有限责任公司山西第一分公司，山西太原 030000；3.河北省环境地质勘查院，河北石家庄 050021）

异形柱体系由于其自身截面特征，造成了节点的薄弱特性，阻碍了异形柱结构体系的发展。以天津市某住宅工程为背景，结合钢纤维增强十字形异形柱节点的抗震性能试验、钢纤维混凝土的设计规定及施工规程，对钢纤维增强型节点建筑进行经济分析。

异形柱节点；钢纤维；技术经济分析

钢纤维增强混凝土就是在普通混凝土中掺入一定量的短细钢丝，搅拌均匀。在普通混凝土内掺入细钢丝主要是改善它的力学性能，尤其是增强它的抗拉强度，推迟受拉裂缝的出现，对混凝土抗剪、抗冲击及其他的性能也有显著的提高［1］。

将钢纤维增强混凝土应用到异形柱节点中，即在异形柱节点核心区浇筑钢纤维混凝土，用以改善它的薄弱特性。目前，纤维增强型节点研究很多，但是钢纤维以其优良的物理力学性能得到了研究者们的认可。钢纤维混凝土虽然有很多优点但仍有许多问题需要研究。以钢纤维增强混凝土异形柱节点试验为依据，结合天津市某民用住宅，总结了钢纤维混凝土的设计及施工规定，并对其进行了经济分析，为这种结构体系的可行性研究奠定了基础。

1 技术分析

1.1 钢纤维混凝土的配合比设计

钢纤维混凝土配合比设计应满足结构设计要求的抗压、抗拉强度，以及施工要求的和易性，特殊情况下，还应满足抗冻、抗渗及耐腐蚀等要求［2］。

钢纤维混凝土的水灰比宜选用0.45～0.50，水泥用量不应大于500 kg／m3，钢纤维体积率不允许小于0.5%。

1.2 钢纤维混凝土的搅拌

由于钢纤维在混凝土中乱向分布，因此搅拌均匀是至关重要的。为防止在搅拌过程中出现钢纤维自身的结团现象，如若出现这种情况不但不能使钢纤维起到增强效果反而会使混凝土强度局部降低［1］。本试验严格按照施工手册规定的投料顺序和拌制要点进行拌制，保证钢纤维在混凝土中分布均匀。

1.3 钢纤维混凝土的运输

由于钢纤维的加入，混凝土的塌落度要比普通混凝土小，所以不适合采用混凝土搅拌车运输，可以用自卸汽车，钢纤维混凝土中加入了HF-3减水剂，因此拌合、运输和浇筑的过程一定要在规定时间内完成，施工速度要尽量加快［3］。在运输的过程中要避免离析现象的发生。

1.4 钢纤维混凝土的浇筑及振捣

钢纤维混凝土的施工对施工速度要求较高，减水剂的加入使得它凝结固化比较快，因此施工速度要快，否则会造成凝结难以施工。同时为了保证钢纤维在混凝土中的均匀分散性及整个结构的连续性，在同一构件中浇筑时不能中断，浇筑过程若出现干涩现象也严禁加水。

钢纤维混凝土应采用机械振捣，但是由于本工程在节点部位施工，所以，采用人工振捣。但是振捣过程也要防止钢纤维起团和折断，振捣时间比普通混凝土要长些，最后要以混凝土表面泛浆、不冒气泡、表面均匀为准。

1.5 钢纤维混凝土的技术特性

钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷初期，混凝土基体与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能［4－5］。

2 钢纤维混凝土异形柱节点结构体系的综合经济技术分析

通过对4个钢纤维混凝土异形柱节点做低周反复试验，并与2007年所做的普通混凝土异形柱节点的抗震试验结果［6］做对比，分析发现，浇筑钢纤维混凝土的异形柱节点试件承载力较普通异形柱节点都有提高：极限荷载提高约10%，屈服荷载提高约17%，屈服位移提高约60%，极限位移提高约60%，耗能的提高不明显。

以天津市某住宅为背景，计算由于节点核心区钢纤维的加入所增加的材料费。

2.1 工程概况

本工程位于天津市，为民用住宅，建筑面积约为5 000 m2。建筑物为多层住宅楼，地上6层，层高3 m，建筑总高18 m。混凝土强度等级：C30；钢筋种类：HPB235，HRB335，HRB400级钢筋。陶粒空心砌块填充墙，墙厚200 mm。

地质条件：土壤冻结深度0.8 m。地震动参数：设防烈度7度；设计基本地震加速度0.15 g；设计地震分组第1组；场地类别Ⅲ类。风荷载0.5 k N／m2，雪荷载0.4 k N／m2。建筑防火耐火等级为二级，屋面防水等级为三级。梁柱平面布置如图1所示。

异形柱结构体系中，为保证结构侧向刚度沿竖向均匀变化，避免竖向刚度突变及保证竖向传力明确，框架柱宜上下对齐并且连续贯通［7－10］，肢厚不宜小于200 mm。由于本住宅建筑层数不高，为了方便计算，采用各层柱截面形式相同，截面统计如图2所示。

柱布置位置如表1所示。

表1 柱的布置位置统计表Tab.1 Statistical table of column layout

图1 梁柱平面布置图Fig.1 Layout of beam column

图2 柱的截面形式详图Fig.2 Detail of column section

异形柱框架结构中梁截面共计有200 mm×350 mm，200 mm×400 mm，200 mm×600 mm 3种。梁的分布情况如表2所示。

表2 梁的布置位置统计Tab.2 Statistical table of beam layout

2.2 材料增加费计算

标准层异形柱节点核心区的混凝土总体积为3.339 m3。

钢纤维体积率为1%，在节点核心区浇筑钢纤维混凝土，由此带来的材料费用增加为

整个异形柱框架建筑的节点核心区浇筑钢纤维混凝土带来的材料费用增加为

钢纤维的掺入所带来的材料增加费在可以接受的范围内，为了使结构有更好的性能，工程造价有所提高也有价值。

3 结 语

综合技术与经济的对比可以发现，虽然钢纤维混凝土比普通混凝土的造价高，但是可以明显提高混凝土的强度及抵抗变形的能力，增强异形柱框架结构在震害时的御害能力。整个建筑由于钢纤维混凝土的加入只在原来工程造价的基础上增加了约18 000元，可是带来的效益却是显著的。首先，使得异形柱框架的节点薄弱性得到了改善，承载力和耗能能力都明显提高。其次，促进了异形柱结构体系的推广应用，使得异形柱结构体系的优势充分发挥，实现了建筑利用率的提高和结构自重的减轻，同时能满足人们对房间布置和造型的要求。

综上所述，配筋钢纤维混凝土异形柱结构体系比普通混凝土结构体系更先进，造价却没有太大提高，从可持续发展的角度分析，钢纤维混凝土符合可持续发展的趋势。

［1］张艳娟，翟晓静，张庆宇.钢纤维混凝土施工工艺探讨［J］.黑龙江交通科技（Communications Science and Technology Heilongjiang），2009（5）：83.

［2］蒋应军，刘海鹏，王 琪.钢纤维混凝土性能与施工工艺研究［J］.混凝土（Concrete），2008（8）：82-84.

［3］张春新，温少华，王勤旺.钢纤维混凝土施工工艺简析［J］.科技信息（Science ＆ Technology Information），2008（23）：117.

［4］张 建.钢纤维混凝土性能研究及其应用现状［J］.山西建筑（Shanxi Architecture），2010，36（5）：180-181.

［5］赵国藩，黄承逵.钢纤维混凝土的性能和应用［J］.工业建筑（Industrial Construction），1989（10）：2-8.

［6］王铁成，张学辉，康谷贻.两种混凝土异形柱框架抗震性能试验对比［J］.天津大学学报（Journal of Tianjin University），2007，40（7）：791-798.

［7］苏剑清.异形柱结构设计及应注意的若干问题［J］.广东科技（Guangdong Science and Technology），2008，187：31-32.

［8］张学辉，李其廉.高轴力下钢筋混凝土异形柱节点受力性能研究［J］.河北科技大学学报（Journal of Hebei University of Science and Technology），2010，31（5）：472-478.

［9］杜 闯，田稳苓，左治武.钢纤维自应力混凝土压力管受力性能的有限元分析［J］.河北工业大学学报（Journal of Hebei University of Technology），2011，40（4）：99-103.

［10］陈 曦，梁剑青.改善钢管混凝土受力性能的构造措施［J］.燕山大学学报（Journal of Yanshan University），2010，34（4）：283-288.

Technical and economic analysis of cross shaped column nodes of concrete reinforced by steel fiber

KANG Li-hua1，ZHANG Shuai2，FAN Yu-jing3
（1.College of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.The First Branch in Shanxi，Zhongfu Construction Limited Liability Company，Taiyuan Shanxi 030000，China；3.Environmental Geological Exploration Institute of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050021，China）

The cross shaped columns nodes are weak for its own causes，hindering the development of special-shaped column structure system.With a residential project in Tianjin as the background，combining the seismic performance test of steel fiber reinforced a cross shaped column，the design requirements and the construction procedures，economic analysis of the steel fiber reinforced nodes are provided.

cross shaped column node；steel fiber；technical and economic analysis

TU415.6

A

1008-1542（2012）05-0475-04

2012-04-07；

2012-09-15；责任编辑：冯 民

河北省建工新产品试制费计划项目（2010-101）

康丽华（1985-），女，河北衡水人，硕士，主要从事混凝土施工技术方面的研究。