混凝土结构设计论文范文
时间：2023-03-24 16:47:11
导语：如何才能写好一篇混凝土结构设计论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
目前钢筋混凝土排架结构在设计分析方面仍面临很多挑战，为能解决这些可能遇到的问题，很多学者对钢筋混凝土排架结构设计上做了研究。在唐山大地震中，大多数以钢筋混凝土排架结构为主的工业厂房结构柱破坏，造成很大的损失和伤亡，此后，我国学者钢筋混凝土排架结构开始进行深入的分析与研究。研究的内容如下:地震局工程力学研究所对排架结构进行了有机玻璃模型的具体分析;李树祯等采用弹塑动力时程分析方法对横向单棍的排架结构进行分析，认为钢筋混凝土排架结构用普通的设计方法可满足抗震的基本要求，但从概率角度出发，其可靠度相对较低，地震作用下部分构件可能超过强度而严重破坏，“强柱弱梁”整体厂房还做不到;西安建筑科技大学共同对变柱变梁异型平面节点、钢筋混凝土框排架结构柱和带直交梁空间节点进行了大量的试验研究，研究结果表明:提出了长柱、短柱、普通混凝土柱以及异型节点承载力在高强混凝土上的计算公式，为改善节点区的配筋及高强混凝土在工程中应用提供了理论依据;目前弹性扭转效应的研究已趋于成熟，各国的规范对结构的弹性扭转效应都有各自的计算方法。对于结构进入塑性扭转，由于塑性扭转效应涉及到对整体结构的空间弹塑性分析的问题，其在这一领域问题较为明显，为钢筋混凝土排架等结构工程领域研究的热点问题。从总体上讲，在钢筋混凝土排架结构设计及理论方面，通过理论研究分析取得了许多有益的结论。但目前排架结构的研究重点仍处于对平面和弹性阶段的研究和分析，目的是能将空间计算问题尽量简化为平面的简单问题计算。由于钢筋混凝土排架结构的自身复杂性、专业性和特殊性，当前仍然有很多问题有待解决，如:塑性扭转效应和非线性分析问题;当前抗震性能的试验在钢筋混凝土排架整体结构领域进行较少，在排架结构的设计中，抗震设防的理论有待进一步完善;在排架结构处于塑性区后，其抗震能力发生变化，这一现象在结构扭转效应表现突出;此外，对排架与框架相互结合剪力墙结构的研究涉及较少，对框排架的工作性能及受力特点有待进一步的更多的研究和分析;钢筋混凝土框排架结构中框架与排架的协同工作受力情况较为模糊。
2我国目前规范对钢筋混凝土排架设计的不足
在钢筋混凝土排架结构的抗震设计方面，GB50191—2012构筑抗震设计规范和GB50011—2010建筑抗震设计规范指导规范不同地域、不同排架结构的抗震设计。本文结合《构筑抗震设计规范》的具体条文，阐述了目前规范中钢筋混凝土排架结构中设计的不足和缺陷。有关排架结构上部屋架结构计算的规定有:
1)《构筑抗震设计规范》6．2．19条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应该考虑屋架下弦的拉压效应对结构的影响并核算屋架承载力;
2)《构筑抗震设计规范》6．2．22条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应验算变形产生的附加内力。上述两点叙述，规范使用“应”字，因此应考虑建立合适的屋架和支撑的杆系模型，否则无法得出上述内力值。在钢结构排架设计方面，钢排架结构施工进度快，造价低，但以后要经常维护保养。框架结构施工复杂，造价高，后期维护工作量低。在工程建设中，钢架也就是在排架柱方向通过设置联系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗纵向力下变形的钢框架(局部开间或连续开间)，具体做法可采用实腹联系梁或格构桁架———根据可设置高度选用，采用门式柱间支撑，可以留出工艺空间，还能对柱平面外予以加强。但我国处于高度使用水泥的情况，环境污染日益严重，从节能减排方面讲，钢排架结构应作为首选，但规范未给具体说明。
3结语
篇2
自改革开放以来，我国的混凝土施工技术不断提高，混凝土材料的研究与开发也得到了迅速发展。当前混凝土结构的应用十分广泛，不管是陆地还是海洋工程中都可以看到它的身影，混凝土的普遍应用也可以看做时展的印记。虽然目前在建筑行业中钢结构迅速兴起，但是由于其存在一些尚未解决的问题，混凝土依然是建筑施工中应用最多的一种形式。在当前我国钢结构施工水平相对偏低的情况下，混凝土几乎霸占了大部分地区的建筑市场。随着我国建筑施工技术的不断发展，混凝土逐渐成为建筑工程中十分重要的结构材料。但当前在建筑行业的实际应用中，混凝土在结构与设计方面依然存在一些问题，表现为混凝土结构的设计不尽完善、设计技术水平有限等。一些设计人员在混凝土结构设计中无法把握整体性，这就导致很多大型建筑物由于混凝土设计不当而引发意外事故。例如，被称为亚洲第一的宁波独塔斜拉桥，由于混凝土设计问题引发桥裂；某市投入巨资建造的高速公路通车后，不到三个月的时间就在不同部位发现裂纹与凹槽等。这些大型工程由于结构设计不合理，进而形成“豆腐渣”工程，这不仅浪费了大量人力、财力与物力，对正常的社会秩序也造成严重影响。在建筑工程中混凝土结构的设计十分关键，建筑工程的设计是否科学合理，直接关系到工程使用安全。
2建筑结构混凝土设计的主要原则
2.1把握侧向力在混凝土结构设计过程中，侧向力对建筑物结构的形变、内力有直接影响，同时与建筑项目的工程造价密切相关。侧向力主要是指水平地震作用以及风的作用，不管是高层还是低层建筑，都需要承受自重、雪载等垂直荷载的作用，并且需要承受风力、地震等水平力。对于低层混凝土结构，其在水平荷载的影响下位移以及内力较小，这个时候几乎可以忽略不计。而在多层建筑结构中，由于受到的水平荷载作用逐渐增强，这个时候水平荷载等就成为最重要的影响因素之一，需要作为主要控制点。
2.2要求较好的延性与低层建筑相比，高层建筑的内部结构更为柔和，在地震等水平力的作用下变形更大。建筑物的抗震能力与建筑结构的变形能力以及承载力这两个因素密切相关。在进入塑形阶段后，为了保障建筑物具有较好的变形能力，避免高层建筑在大的地震中倒塌，就需要在符合混凝土结构刚性的前提下，运用科学合理的混凝土设计理念，并通过完善的构造措施，来提高整个建筑结构的变形能力，尤其需要注意建筑物的薄弱部位，保障整个结构有很好的延性。因此，在混凝土结构设计时应该综合考虑多方面的因素，保障设计的科学合理，让其具有良好的强度以及延性。
2.3要求合适的刚度目前高层建筑越来越多，随着高度的增加建筑物的侧向位移也将逐渐增加。因此，在高层建筑的混凝土结构设计过程中，不仅需要保障混凝土结构良好的强度，也应该保障其具有合适的刚度，混凝土结构的自振频率等应该符合要求，在水平力的作用下结构的层位移也应该控制在适宜的范围内。
2.4整体性原则建筑结构混凝土的总体设计原则，就是要求建筑物的每个组成部分形成一个整体，并对整体的结构以及功能等进行全面分析研究，保障整体与部分之间相互制约、相互依存，进而实现建筑结构系统的正常运作。
3建筑结构混凝土设计的关键点
3.1混凝土结构的耐久性设计混凝土自身的质量与混凝土结构的耐久性有直接关系，在设计过程中改变混凝土的密度，并对混凝土的渗透压等进行调节，就可以有效减缓混凝土被侵蚀的速度，同时混凝土的耐久性与混凝土的水灰比、强度等级等因素也有关系。在混凝土的实际应用中，氯离子对其中的钢材具有很强的腐蚀性，因此应该根据工程所处环境的不同，注意控制环境中氯离子的浓度。同时由于混凝土中含有大量碱性骨料，如果建筑工程所处的环境比较潮湿，混凝土结构内部的活性离子与碱会发生反应，这样容易导致混凝土出现裂缝，进而加快混凝土被侵蚀的速度。如果混凝土出现的裂缝较大，在裂缝内部也可能出现腐蚀性物质，并导致混凝土中的钢材被腐蚀。上述这些因素均会导致钢筋的腐蚀速率加快，导致混凝土的保护层裂开并剥落，出现锈蚀后钢筋的接触面积会逐渐减少，这也导致混凝土结构的承载力逐渐降低。另一方面钢筋出现锈蚀后，其抗滑能力会逐渐下降，也给建筑结构埋下了安全隐患。因此，在建筑结构混凝土设计过程中需要综合考虑承载力问题，避免出现混凝土的脆性破坏。由此可见，对混凝土的耐久性进行深入研究尤为重要。
3.2混凝土结构的抗震性设计发生地震后建筑物的两个主体力量间将发生分配，因此在混凝土设计时需要考虑到建筑物主体结构在不同时期刚度的变化情况，对于钢筋混凝土材料，设计时可以选择混凝土剪力墙作为建筑的主体结构，并将钢筋混凝土作为建筑物的一个主要抗侧应力结构。如果出现往复式地震，处于塑性阶段的建筑物会出现墙体裂缝，这个时候结构的刚度将迅速下降，而刚度出现退化会导致框架的剪应力增加。一般来说，建筑物钢筋混凝土框架结构的弹性形变较大，比混凝土墙体的弹性好的多。在遇到较大的地震时，尽管建筑物的抗震能力比塑性阶段低，其中的钢筋混凝土框架会吸收大部分弯矩与水平剪应力。因此，为了保障建筑结构的基本“裂缝”需求，同时把握钢筋混凝土框架的水平部分，有效提高建筑物地基的承载能力，就需要应用相应的工艺措施让混凝土结构具有较高的变形能力，以此保障建筑物具有较好的抗震性。
3.3遵循强柱弱梁的理念在混凝土结构设计时遵循强柱弱梁的理念，在出现地震作用时，如果只是梁被破坏，并不会影响建筑物的整体运作，可能只是部分结构失去工作能力，但如果柱被破坏，那么整个建筑物将会倒塌。因此，柱的作用是十分关键的。近年来，我国发生了多处地震，设计人员应该注意对建筑结构的抗震设计。首先，在设计过程中对柱的轴压比加强控制。根据相关工程的统计数据，柱的轴压比一般需要控制在0.9%以下。同时需要加强柱截面、边柱的强度，并对柱进行加密箍筋设计，保障配筋率在1%以上。
4结语
篇3
高等混凝土课程是土木工程防灾专业课程的重要组成部分，因其专业性强并与实践密切结合而成为教学的重点和难点。文章以加州大学伯克利分校、新加坡国立大学、帝国理工大学、香港理工大学以及同济大学为例，从课程设置、课程要求、课程内容等多个层面，对不同国家和地区的土木工程防灾专业高等混凝土课程的开设情况进行对比研究，并提出适合中国国情的教学改革方案。
关键词：高等混凝土；课程设置；教学改革
中图分类号：TU528；G6423文献标志码：A文章编号：
10052909（2017）01006104
土木工程防灾是指利用工程技术来减轻以土木工程为载体的灾害，以实现防灾减灾[1]。防灾减灾工程及防护工程学科是土木工程学科的二级学科，文章主要对不同国家和地区高校的防灾减灾工程及防护工程专业的高等混凝土结构理论课程设置情况进行对比研究。
混凝土结构是我国土木工程领域目前应用最多、最广的结构形式，且是今后相当长时间内建筑结构的主要形式[2]。混凝土结构及其系列课程经过多年发展已成为土木工程专业的主干课程[3]，文章讨论的对象是高等混凝土结构理论――一门主要面向研究生开设的对混凝土结构基本原理进行深化拓展的课程。文章以加州大学伯克利分校、新加坡国立大学、帝国理工大学、香港理工大学以及同济大学为例，对中外土木工程防灾专业高等混凝土课程的开设情况进行对比分析，以提出适合国情的教学改革方案。
一、课程概况
高等混凝土结构课程主要讲授高等混凝土结构理论，是为研究生开设的对混凝土结构基本原理、混凝土结构设计知识深化与拓展的课程，同时课程还结合最新研究进展分析相关研究内容，使学生掌握相应的概念和方法，为科学研究及工程实践提供坚实的理论基础。
同济大学土木工程学院防灾减灾工程及防护工程方向把高等混凝土结构理论设为必修课，课程采用课堂教学、课后小作业、课后大作业的形式开展教学，使学生掌握混凝土结构的基本原理，理解计算公式的来龙去脉，培养学生的逻辑思维，为学生今后在实际工作中的业务能力打下基础。
香港理工大学土木工程专业包括一般土木工程学科、结构工程学科、交通工程学科，与防灾联系最为密切的学科为结构工程学科，该学科为研究生开设高等钢筋混凝土课程。
加州大W伯克利分校土木工程专业未设置防灾方向，但是设有结构工程及材料力学两个与防灾相关的专业。在两个专业的研究生课程中，与高等混凝土技术相关的有混凝土技术、混凝土结构、混凝土性能、预应力混凝土结构等课程。
新加坡国立大学土木工程专业未设置防灾二级学科，将同济大学防灾核心课程与新加坡国立大学课程设置进行对比发现，对应高等混凝土结构理论的课程有：高等混凝土结构设计、高等混凝土技术、混凝土结构鉴定与加固等。这些课程主要针对研究生、高年级本科生或对高等混凝土结构具有强烈兴趣的学生。
帝国理工大学土木工程专业下未设置防灾二级学科，结构工程分为混凝土结构、地震工程、综合结构工程、钢结构设计等四个模块，其中地震工程模块与防灾最接近，地震工程开设的钢筋混凝土课程与高等混凝土课程对应。
由五所学校的课程设置可以看出，加州大学伯克利分校及新加坡国立大学的课程设置更加专业化，更加全面，形成了一系列子课程，而同济大学、香港理工大学及帝国理工大学的高等混凝土课程则是综合设置一门课程。从科学研究的角度来说，加州大学伯克利分校及新加坡国立大学的课程设置方式更有利于理论学习，对高等混凝土结构理论进行专业化的分类及细化可以使学生有机会对混凝土结构的知识进行深入了解和研究，为其后期的科学研究工作打下坚实的基础。同济大学、香港理工大学及帝国理工大学的课程设置方式则更符合工程实践的要求，实践中往往需要对结构有一个整体的认识，这样更有利于综合运用所学知识解决实际问题。
二、课程要求
以同济大学、加州大学伯克利分校、新加坡国立大学高等混凝土的课程要求为例，同济大学的高等混凝土结构理论为必修课，加州大学伯克利分校的课程均为选修课，新加坡国立大学三门课程均为九选五（从九门课程中选修五门），这样的安排是出于对总课时有限的考虑，不能无限制增加一门课程的学时。
同济大学的课程安排可以让学生综合掌握混凝土的各方面知识，但由于总课时有限，学生对混凝土各个方面知识的学习只能浅尝辄止，而难以进行深入研究，广度有余而深度不足。与之相反，加州大学伯克利分校和新加坡国立大学的课程安排则可以让学生根据自己的兴趣和研究课题选择课程，从而深入地进行学习与研究，尤其高等混凝土结构理论课程多是针对研究生开设的，考虑到本科阶段学生已进行过比较系统的混凝土课程学习，这样安排课程可以对本科的知识进行深化和扩展。
三、课程内容
五所学校对应于高等混凝土结构理论的课程内容及学分见表1―表5。
这五所大学的课程设置及教学内容体现了不同国家和地区的研究生教育特点。
加州大学伯克利分校共设置四门课程，分别从混凝土材料、结构、技术进展、预应力混凝土结构等方面开设课程，这与美国研究生教育中大规模、重视课程学习的特点有关。美国的研究生教育重视课程学习，为保证研究生接受严格、系统的课程教学，美国的高校往往设置一系列可供选修的课程，此外，美国的研究生教育已脱离精英教育而迈入大众化教育阶段[4]，规模大是其鲜明特点之一，这也是其多门课程开设的保障，以免选修课程的人数过少而影响正常授课。
帝国理工大学设置一门课程对高等混凝土的知识进行综合性学习。英国的研究生教育具有悠久的历史和完善的体制，近年来英国研究生教育越来越重视课程学习，尤其关注课程内容的综合化。
新加坡国立大学设置三门课程，分别从结构设计、混凝土技术、结构鉴定与加固三个方面对高等混凝土的内容进行展开，与加州大学伯克利分校的课程设置有类似之处，但课程细化和分类的角度不同。新加坡的研究生教育培养模式是在英国的教育体制基础上吸收美国教育体制的长处而形成的特色模式，精英教育与广博教育并重[5]。
同济大学综合设置一门课程，在本科生混凝土基本原理和混凝土结构设计课程的基础上对混凝土构件的极限破坏分析、混凝土结构抗灾性能分析原理、混凝土结构耐久性、混凝土结构可靠性设计理论等内容进行讲授，这一课程的设置在一定程度上反映了中国内地的研究生教育特点。我国内地的研究生教育自20世纪90年代开始步入转型期，主要表现为研究生教育从追求规模变为提高质量，从一味扩张转为发展内涵，从以知识为本转向以能力为本[6]，同济大学虽然只开设了高等混凝土结构理论一门课程，但是课程内容较本科阶段更加深入，从理论上对混凝土及混凝土结构的性能进行分析。
香港理工大学同样只设置高等钢筋混凝土一门课程展开教学。香港理工大学是一所应用型大学，主张“实用为本，学以致用”，因而在课程设置上更加注重其实用性及应用性。
总而言之，这五所大学开设的混凝土课程所讲授的主要内容基本一致，大致可以分混凝土材料性能和本构关系、混凝土构件在弯、剪、扭及轴向荷载作用下的性能（强度理论），混凝土结构耐久性，预应力混凝土结构的特性等几部分[7]。不同之处在于，加州大学伯克利分校和新加坡国立大学课程安排中均涉及混凝土技术发展的最新进展情况，如高强混凝土、自密实混凝土等的发展情况，建筑产业的可持续发展，可再生骨料的利用等。同济大学在课程中加入全过程分析和混凝土结构可靠性设计理论，对混凝土结构抗灾性能分析原理及混凝土结构设计进行展开，更加符合防灾学科的培养要求，同时实践性更强。新加坡国立大学设置混凝土结构鉴定与加固课程，讲授混凝土结构鉴定与加固技术的相关应用，符合当代土木工程的发展趋势。
四、教学改革思路和结论
根据上述比较研究，可以看出中外高校土木工程专业防灾方向高等混凝土结构课程设置与其所处的国家和地区的研究生教育特点有关，其中比较明显的区别有以下几方面。
第一，部分大学的课程设置更加专业化，对高等混凝土课程进行了细分，按照不同的分类方法将混凝土课程进行细化，设置一系列的选修课程供学生选择，使学生可以按照自己的课题方向或兴趣进行专项学习，也有部分大学高等混凝土只设置一门课程，且课程要求为必修，此类大学更加注重学生的系统教育，使学生能学到系统的基础与专业知识，但同时也占用了学生有限的精力，学生缺乏足够的时间选修自己想学习的课程，无法调动学生学习的主动性，限制了学生独立规划与自我创新的能力。
第二，国外部分高校更加关注最新研究成果，在课程安排中增加了混凝土技术的最新进展，如高强混凝土、自密实混凝土的发展情况等，与国际接轨，这样的安排无疑可以增加学生对国际最新进展的关注度，提高学生的科学素质，而我国大学的课程设置兼顾学习内容的实践性与应用性，更加实用。
在进行教学改革时，应结合自身情况，借鉴吸收其他学校有益可行的经验。
1.对课程内容进行深入、细化
把高等混凝土结构理论作为一门课程进行讲授显然不甚合理，且课程内容与本科有相当部分的重复。防灾专业的学生，应当选取与本专业相关的内容进行重点、深入学习，如结构鉴定加固的内容应当补充到教学内容中，并进行重点学习。
2.合理设置课程要求
对高等混凝土结构内容进行细化之后，如果还是按照之前的课程要求将其全部设为必修课程显然并不合适，这时需要重新确定课程要求，使学生在总课时不变的情况下选修与自己课题方向相关的课程进行学习。
3.加入最新研究成果，与国际接轨
在课程内容中加入科技前沿内容，可以提高研究生教学的学术性和前沿性，开阔学生的视野，使学生了解最新科技进展，与国际接轨，也有利于培养学生的创新性[8]。参考文献：
[1]周福霖，崔杰.土木工程防牡姆⒄褂肭魇魄陈[J].黑龙江大学工程学报，2010（1）：3-10.
[2]魏华，王海军. 混凝土结构系列课程改革探索[J]. 高等建筑教育，2007，16（2）：79-81.
[3]汤永净， 柳献. 混凝土结构基本原理教学研究[J]. 高等建筑教育，2015，24（4）：59-63.
[4]赵蒙成. 美国研究生教育的特点与趋势[J]. 机械工业高教研究，2001（1）：90-93.
[5]张明，宋妍. 新加坡研究生培养模式及对我国研究生教育的启示 [J]. 山东高等教育， 2015（6）：26-32.
[6]王战军. 转型期的中国研究生教育[J].学位与研究生教育，2010（11）：1-5.
[7]江见鲸，李杰， 金伟良.高等混凝土结构理论 [M]. 中国建筑工业出版社， 2007.
[8]潘毅，李彤梅，黄云德，等. 建筑类建筑结构课程教学改革探讨与尝试 [J]. 高等建筑教育，2010，19（6）：119-121.
Abstract：
篇4
Abstract: This paper based on experiment of concrete filled square steel tubular columns under combined constant axial load and cyclic lateral loads, the reasons of the effect of axial compression ratio on the ductility of composite column are discussed in this paper .The conversion relation betweenexperimental axial compression ratio and design axial compression ratio is deduced .Finally, the limitedvalues of axial compression ratio of concrete filled square steel tubular columns are brought forward on the basis of the deduced result and experimental data.
关键词:钢管混凝土;轴压比;轴压比限值;延性
Key words: concrete filled square steel tubular columns;axial compression ratio;limited values of axial compression ratio;ductility
中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)10-0107-02
0引言
方钢管混凝土是整个钢管混凝土结构的一个组成部分,同圆钢管混凝土结构处于并列地位。较之圆钢管混凝土结构,方钢管混凝土结构具有以下特点,①截面受力合理。大开间是市场对现代化住宅提出的要求。选用钢框架体系,在两个方面跨度都较大。需要柱截面在两个方面上都要承受较大弯矩,双向同性的优点更能满足结构需要。②耐火性好。方钢管混凝土由于是由钢管和混凝土两种材料组成,混凝土的热熔较大。③塑性,韧性好。方钢管混凝土构件在大轴压比的情况下仍具有较好的耗能性能和延性,因而抗震性能好。④方钢管混凝土结构具有节点构造简单,施工方便,承载力高的特点,经济效果明显。因而文献[1]和文献[2]都作出钢管混凝土柱无需限制轴压比的论断。但此论断均是针对圆钢管混凝土柱作出的。
为了研究方钢管混凝土柱的抗震性能,在天津大学结构试验室进行了基本性能研究,试验结果简要的列于表1中。在本试验数据基础上,参考了文献[3]的试验结果,讨论了轴压比对方钢管混凝土柱延性的影响和方钢管混凝土柱轴压比限值的问题。
本文采用结构极限位移角作为衡量结构延性的指标,参照我国《高强混凝土结构设计与施工指南》[4](HSCC-99)中规定的混凝土框架结构层间弹塑性位移角限值为1/60。极限位移角计算公式为:
R=(1)
式中,Δ为层间极限位移,L为层高。实际中Δ、L分别为柱中点侧向位移和柱中点至辊轴中心的距离。
根据《天津市钢结构住宅设计规程》[5](DB29-57-2003),钢管混凝土柱的轴压比采用下面计算公式:
n=N/N0(2)
式中,N为轴向荷载,N0为钢管混凝土的极限承载力。N0=fcAc+fyAs,其中fc为混凝土抗压强度,fy为钢材的屈服强度。As、Ac分别为钢管和管内混凝土的面积。
1轴压比对钢管混凝土柱延性的影响
1.1 预压应变的影响凝土压弯柱在受到轴向荷载N后,将产生一个压应变 ,在水平荷载作用下,受压一侧的压应变将继续增大,如果材料的极限压应变为r,则r与r的差值大小决定了截面极限转角。因而极限转角随 的增大而减小,与此同时,钢管混凝土压弯柱地延性也就越差。
1.2 附加弯矩的影响当轴力为定值时,随着试件水平位移的不断增大,附加弯矩的影响越来越大,由于受压混凝土的破坏程度不断加大和钢材的屈服,截面承受弯矩的能力也会不断降低,这些将导致水平承载力不断下降。当轴压比较小时,附加弯矩的影响也小,反映在滞回曲线骨架曲线上,表现为下降段较缓,反之高轴压比会使骨架曲线下降段变陡
2试验轴压比与设计轴压比的换算关系
试验轴压比为: nt=N/N0(3)
设计轴压比为:nd=Nd /N(4)
式中,N为试验轴压力,N0为柱轴心受压极限承载力,Nd为设计轴力,N为设计轴心受压极限承载力。
若设计时取Nd=N,则:
n/n=NN(5)
根据(3)可得:
=(6)
式中,f、f分别为钢管屈服强度的试验值和设计值;f、f分别为混凝土强度的试验值和设计值。
根据《混凝土结构设计规范》[6](GB 5000.10-2002),混凝土的轴心抗压强度设计值的计算公式为:
f=(7)
式中,f为混凝土强度等级值,即具有规定保证率的混凝土立方体抗压强度标准值;α为混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值;α为对C40以上混凝土考虑脆性折减的系数。本文综合考虑α和α,取αα=0.77。
混凝土的强度标准值应具有95%的保证率,混凝土强度标准值与立方体强度平均值fcu的关系为:
f=f(1-6.645δ)(8)
式中,δ为变异系数,统一取δ=0.1。
由此可得:
==0.525(9)
类似地,对于钢管,设计值与试验值的关系为:
==0.760(10)
将公式(9)和(10)代入公式(6),即可得:
==0.760-0.235(11)
取钢管混凝土的约束效应系数ξ=AfAf,代入上式可得:
=0.760-0.235(12)
3方钢管混凝土柱轴压比限值的讨论
表1针对本试验和文献[3]中方钢管混凝土压弯试验结果进行了试验轴压比与设计轴压比对应值的对比。方钢管混凝土柱压弯试验的基础上,探讨了轴压比影响柱延性的原因,并推导了试验轴压比与设计优压比的换算关系公式,最后根据换算关系公式实验数据,以层间弹塑形位移角作为延性控制指标,指出了方钢管混凝土柱的轴压比限制。从表1中关于方钢管混凝土柱压弯试验的结果,可以看出轴压比越大,极限位移角Ru越小,也即方钢管混凝土柱的延性越差。可知轴压比是影响钢管混凝土柱延性的重要指标,因此为了满足抗震设计要求,确定一个合适的轴压比限值就显得尤为重要。合适的轴压比应该既满足结构延性的要求,又能充分发挥钢管混凝土柱提高承载力的优势,做到既安全又经济。根据表1的对比可知,当试验轴压比为0.5时,极限位移角均能满足1/60的结构设计有限延性的要求。而当试验轴压比为0.5时,其对应的设计轴压比约为0.8,取二级抗震等级时轴压比限值为0.8。再根据抗震等级不同浮动0.10,即可得方钢管混凝土柱的轴压比限值可按表2取值。
4结语
轴压比是影响钢管混凝土柱延性的重要因素,轴压比越大则延性越差。轴压比主要通过预压应变和附加弯矩影响柱的延性。以层间弹塑性位移角为延性控制指标,通过本文和文献[3]方钢管混凝土柱压弯试验的数据以及本文推导的试验轴压比与设计轴压比的关系式可以导出轴压比限值,为方钢管混凝土柱抗震设计提供参考。
参考文献:
[1]钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2003.
[3]吕西林,陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2000;21-2.
[4]HSCC-99.高强混凝土结构设计与施工指南[S].
篇5
【关键词】混凝土结构耐久性；等级修复；模糊划分；模糊评估
1前言
目前，我国建筑材料使用最广的就是混凝土材料。虽然混凝土结构具有很强的适应性，但是混凝土结构材料有自身和使用环境的影响，使得混凝土结构存在耐久性的问题。大多数混凝土结构在还没有达到预期的设计年限就出现了问题，原因包括由设计不当造成，但是造成提前失效的主要原因在于混凝土结构耐久性不足。耐久性问题会给工程造成巨大的损失，所以，混凝土结构耐久性的研究已经成为土木工程界研究的一个重点。混凝土结构耐久性的修复的划分和评估是混凝土结构耐久性研究的一个重点。混凝土结构修复性等级的划分和评估不仅为制定修复决策提供指导意见而且还为健康检测提供可靠的理论依据。混凝土结构耐久性的修复指的是混凝土结构在实际的工作环境和材料内部的影响下，受大气影响、有害物质的腐蚀以及其他恶化条件因素导致出现的混凝土结构损伤，并通过物理或者是化学方法被修复的能力。
2混凝土结构耐久性的评估方法
我国目前将混凝土耐久性评估理论分为三类，第一类是传统的概率论作为基础的理论；第二类使用现代不确定的数学工具、建立评估模型；第三类是可以建立专家评估系统。混凝土耐久性评估是很复杂的，虽然有很多学者根据理论和试验建立了不同的模型对混凝土结构耐久性进行了深入的分析，但是混凝土耐久性的信息还不完整、不确定。日本提出了一种建筑物混凝土结构耐久性修复评估的方法，不仅结构严密，条理清晰，根据多次调查再对混凝土结构进行评估，这样很大程度降低了人为因素的影响。
与传统的评估方法相比较具有几点优点，例如：首先，成立调查委员会和调查小组；其次，对调查的项目和内容进行了详细的编制，并且按照要求去执行；再次，运用现代检测手段，对调查的数据结果加以处理；最后，保证结果的可靠性，每一步骤都要有补充调查消除疑点。
对混凝土结构耐久性的修复性评定可以揭示出结构存在的危险，对混凝土结构采取有效的措施进行维修或者是拆除，减少事故的发生，同时得出的结果可以直接用在混凝土结构设计过程中，对混凝土结构耐久性的修复性进行评估，可以及时修改方案，保证混凝土结构的耐久性。
3混凝土结构耐久性修复考核的指标
混凝土结构耐久性的修复性与很多因素有关，例如：修复费用、时间、工作量，恢复性是混凝土耐久性修复后的状况评价。通常情况下，混凝土的修复费用越多，对混凝土的修复级别也越高。但是，混凝土结构耐久性修复在只需要更换较贵的构件时，并且混凝土设计施工较简单，与同类混凝土结构原始造价相比并不高时，尽管混凝土结构耐久性修复的花费较多时，修复的等级也不会很高的。
混凝土耐久性的修复性费用除了与施工费用有关外，还包括由混凝土耐久性修复相关的花费，例如：环境污染费用。
混凝土结构的可靠性是衡量结构是否修复的指标。所以，把可靠性鉴定等级作为混凝土结构耐久性修复的指标。按照混凝土结构的承载能力、混凝土结构的构造、混凝土结构变形和裂缝的开裂程度分别进行等级评估，把最低一级的结构作为可靠性的等级。
4修复等级的模糊划分
根据混凝土结构耐久性损伤情况，把混凝土修复分为多个等级，从较模糊的数学角度分析，对特修、大修、中修、小修划分标准不严谨。从等级定义和考核指标两个方面考虑，往往没有确定性，都是用比较模糊的的概念进行描述。例如：“部分”、“较小”、“较差”等等。
5混凝土结构寿命周期和成本
一般说来，混凝土的结构要经过多个阶段，比如：调查、设计、施工、修复，而且占用时间最长的就是混凝土的修复。混凝土结构在使用的时间内不发生耐久性损伤是不可能的。也就是说，对混凝土进行适当的维修可以延长混凝土结构老化的时间，从而延长混凝土的使用寿命。把混凝土结构的生命周期分为三个阶段，拥有期、结构服役期、结构老化期。第一周期是混凝土结构耐久性最好的时期；第二周期耐久性逐渐降低；第三阶段是混凝土结构耐久性的最低阶段，达到承载能力的极限，甚至有可能导致结构报废。
6修复等级多级模糊综合判断
采用多级模糊评估的方法对混凝土结构耐久性修复性进行评估。将其分为混凝土结构、传力树、构件。传力树系统包括基本构件和非基本构件。基本构件是混凝土结构在失效时会导致传力树其他的构件失效的构件；而非基本构件指的是该构件在失效时不会导致其他构件失效。混凝土结构耐久性损伤不能满足要求的适用性，要经过不断的处理修复才可继续使用。把混凝土结构划分为多个单元进行评定；根据混凝土失效的特点，评定基本构件和非基本构件的等级；也可以根据模糊判断矩阵可信度的权重确定。
7结束语
我国建筑材料使用最广的就是混凝土材料。混凝土结构具有很强的适应性，但是混凝土结构材料也有自身和使用环境的影响，使得混凝土结构存在耐久性的问题。大多数混凝土结构在还没有达到预期的设计年限就出现了问题，原因包括由设计不当造成，但是造成提前失效最根本的原因就是混凝土结构耐久性不足。所以，混凝土结构耐久性问题也越来越成为人们研究的重点。根据混凝土结构的耐久性设计、修复设计和施工方案的不断改进，提出了一套合理科学的混凝土结构耐久性修复性评估方法。
篇6
【关键词】混凝土结构 教学改革 应用型
【中图分类号】 G642.0
前言
近年来的大学毕业生的就业压力和用人单位对土木工程专业人才的需求，加强对学生执业能力的培养已变得极为迫切。混凝土结构课程作为土木工程专业主干课程，在整个课程体系占有举足轻重的地位，对混凝土结构课程内容、教学方法进行适时顺势的调整和实践是十分有必要的。基于混凝土结构课程特点及以上原因，笔者大胆尝试，对混凝土结构课程内容及教学方法进行了改革，已取得了良好的成效。
1、课程特点及其在土木工程专业中的地位
混凝土结构课程通常按内容的性质可分为“混凝土结构设计原理”和“混凝土结构设计”两部分。前者主要讲述各种混凝土基本构件的受力性能、截面计算和构造等基本理论，属于专业基础课内容，具有概念多、公式多、符号多、计算量大和构造措施繁杂等特点。后者主要讲述梁板结构、单层工业厂房、多层和高层房屋、公路桥梁等的结构设计，属于专业课内容，具有系统性强，概念设计内容多等特点。
混凝土结构是理论性和工程应用性并重的一门课程，土木工程专业学生无论将来从事结构设计、施工监控、结构安全性评价、结构加固等，其实归根结底问题的本质就在于进行不同受力形式的混凝土构件截面的设计和校核，这恰恰是混凝土结构着重解决的问题。它决定了混凝土结构作为土木工程专业核心课程的地位，对混凝土结构知识的掌握和运用也将成为学生在毕业设计和日后从事专业技术工作的一把利器。
2、改革教学内容和教学方法
2.1 教学内容的改革
首先，将“土木工程材料”、“混凝土结构设计原理”、“混凝土结构设计”、“建筑结构抗震设计”、“高层建筑结构”等课程分别进行系列的整合和优化，避免重复，精简混凝土结构课程内容。如将荷载和设计原则等内容从其他同类课程中抽出，单独设一门“荷载和结构设计方法”课程；将混凝土和钢筋的材料性能部分归并于“土木工程材料”课程中，“混凝土结构设计原理”仅简单介绍混凝土和钢筋的力学性能；将构件和结构的抗震设计部分归并于“建筑结构抗震设计”课程中；将框-剪结构、剪力墙结构、筒体结构等部分归并于“高层建筑结构”课程中。当然，在授课过程中，我们也注重了专业课程之间的相互衔接。如在讲解第2章混凝土和钢筋的基本力学性能时，可结合前面课程《土木工程材料》对这部分的内容作以复习和补充，而学生对一些实际结构提取计算简图的能力则需要通过“结构力学”、“混凝土结构设计原理”、后续“房屋建筑结构设计”或“桥梁工程”等诸多专业课程学习来培养[1]。
另外，对土木工程专业的建筑结构和道桥工程方向，由于引用规范的不同导致混凝土结构设计原理的教学内容有较大的差异，如矩形截面偏心受压构件正截面承载力计算，在《混凝土结构设计规范》和《公路桥规》中是大有不同的，具体见表1。
从表1所列内容可知：《混凝土结构设计规范》和《公路桥规》在偏心受压构件计算时都考虑了构件纵向弯曲引起的二阶弯矩的影响，即采用初始偏心距乘以一个偏心距增大系数来考虑。而在这两个规范中取值是不同的，在结构规范中，为轴向力对截面重心的偏心距与附加偏心距之和，而在桥涵规范中未考虑附加偏心距，初始偏心距就取成。而且，在两个规范中材料强度的表达符号也是有差别的等。
2.2 教学方法的改革
针对混凝土结构设计原理知识的“繁”、“杂”，在“教”的过程中更要注重授课的条理性、重点突出并指明规律。例如繁杂的计算公式主要来源于两个方面：一是基于构件在不同荷载作用下的破坏机理和形态，掌握各个临界状态下构件截面的应力分布情况，然后基于力的平衡条件、力矩平衡条件列出力学平衡方程，进而摆脱记忆公式带来的烦恼；而对于那些通过理论推导不能得出的半经验半理论公式，我们将教材和规范结合，以教材为蓝本分析构件破坏的影响因素，通过查规范得到相关计算方法，使学生在学习的过程中逐步熟悉如何正确使用规范。此外，对于那些琐碎的构造要求，以实际工程的介绍配合规范相关条文的要求，使同学们更加容易理解和记忆。
3、教学效果反馈
2009年以来，基于应用型土木工程人才的培养思路，我们对混凝土结构进行了有益的考试改革。混凝土结构设计原理的考核，采用平时成绩加期末考试成绩的方法，平时成绩主要是量化的练习、作业成绩，占总成绩的30%，期末考试成绩占70%，形式上采用闭卷。对混凝土结构设计采用开卷形式，考试题型和形式模拟国家注册结构工程师执业资格考试，允许学生带入教材、规范等参考资料，使学生在学校里就体验到日后执业考试的要求。表2是2008年（教改前）与2009年以来（教改后）教学效果的对比。
表2中的数据表明，2009年以来的教学改革和实践取得了良好的效果。同时，由于加强了在专业课程教学中对工程软件的学习，使同学们提前对结构设计过程中结构分析、截面设计、施工图绘制等各个过程有了较为深刻的了解。这样以来，一方面使学生在毕业设计中更容易入手，为部分同学考研复习取得了时间，也缓解了毕业设计时间紧、任务重和毕业生求职时间提前间的矛盾；另一方面学生的实际应用能力的强化，毕业生求职的竞争力就得以提升，实现了毕业生和用人单位的无缝连接。
参考文献
[1] 范颖芳，杨刚，刘婷婷.工程软件在《钢筋混凝土结构设计原理》课程教学中的应用初探，第十届全国高校土木工程学院（系）院长（主任）工作研讨会论文集[C]，中南大学出版社，2010，288-292.
篇7
关键词：建筑工程，高性能混凝土，设计要点。
中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：
一、引言
自从 1824 年硅酸盐水泥发明以来，混凝土已经成为了土木工程中最重要的材料之一，目前在工业与民用建筑、交通设施、水利水电建筑以及基础工程等领域内得到了广泛的应用。但是随着混凝土结构服役时间的延长和人类生产活动的发展，混凝土质量的劣化问题逐渐出现，大量混凝土结构提前失效造成巨大的经济损失甚至安全事故；同时各种超长、超高、超大型混凝土构筑物不断出现，要求在严酷环境下使用的重大混凝土结构如跨海大桥、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等也不断增加，这些混凝土工程不仅要求混凝土有良好的施工性能，更要具备良好的耐久性，保证结构的使用寿命长。这就使得传统的混凝土技术越来越不能满足要求。
20 世纪 90 年代出现的高性能混凝土将混凝土材料的强度、耐久性和工作性提高到了相同的高度，已经成为了近期混凝土技术发展的主要方向。随着研究和实践的不展，目前我国学者逐渐脱离了单纯对高强度的追求，向耐久性、大流动性、超高泵送、自密实免振捣等高性能方向发展。
二、高性能混凝土的特点
高性能混凝土应是以耐久性为基本要求，并具有以下特点
(1)新拌高性能混凝土拌合物具有良好的流变性，不泌水，不离析，甚至可自流密实，不需振捣即可保证混凝土施工浇筑质量；
(2)高性能混凝土在硬化过程中体积稳定，水化热低，干燥收缩小，无裂缝或有少量微裂缝；
(3)高性能混凝土凝结硬化后，结构密实，孔隙率低，强度高，并且不易产生裂缝，具有优异的抗渗、抗冻及耐久性。
三、高性能混凝土目前存在的问题
1.配合比设计
尽管高性能混凝土一直是国内外学者的研究重点和热点，但一直没有一种大家公认的配合比设计方法。国内外学者所提出的设计方法或是半理论半经验公式，或是提供几个基本要点，或是通过试验得出的最佳配合比，对高性能混凝的配合比缺乏系统性的研究，使得高性能混凝土的工程应用推广受到了限制。目前，选择合适的原材料，优化配比参数，有目的地减少试配，将试配结果根据性能—配比参数再次优化得出最佳配合比，是配合比设计的合理途径。
2.高性能混凝土的早期开裂问题
由于混凝土具有高胶凝材料用量，低水胶比及掺入大量掺合料等特点，致使高性能混凝土硬化特点和内部结构与普通混凝土具有很大差异，早期水化产生的收缩值比普通混凝土要大，易造成混凝土构件的早期开裂，使混凝土抗渗性降低，强度降低，严重影响混凝土结构的耐久性。改善高性能混凝土的开裂性已成为高性能混凝土研究中所急需解决的问题。目前，有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂纹产生的主要途径包括：降低混凝土的单方用水量：增加矿物超细粉用量，减小水泥胶凝材料用量，在混凝土中引入微小气孔，减小混凝土总收缩值：在混凝土中掺入纤维，避免连通毛细孔的形成：加强混凝土的早期湿养护等。
3.高性能混凝土的脆性问题
随着混凝土（特别是高强混凝土）强度增长，抗拉强度与抗压强度的比值会降低，脆性变大，使混凝土容易出现脆性开裂，造成结构的耐久性、抗震性下降，制约高强高性能混凝土的推广。防止混凝土脆性破坏通常是通过结构上的设计来避免。如在构件的受力区域布置钢筋，但是由于混凝土本身的脆性并未得到改善，往往使得构件受拉区钢筋的保护层首先发生开裂，进而钢筋开始锈蚀，而钢筋的锈蚀又进一步促进混凝土的开裂，最终导致构件的破坏。提高混凝土本身的延性和韧性是非常重要的。而目前主要通过添加纤维来改善混凝土本身的脆性，提高混凝土的变形性能。
⒋性能测试方法的问题
高性能混凝土的研究应用只是有二十年多年的历史，现有的性测试方法基本上都是借鉴普通混凝土的测试方法。由于高性能混凝土在原材料组成、配合比设计、结构以及性能方面与普通混凝土有很大的不同，适用于普通混凝土的测试办法不一定适合高性能混凝土。如，坍落度就不适合于测试粘稠的、大流动度的高性能混凝土。
四、高性能混凝上的设计要点
1 应用“均匀密实”理论，调整骨料级配使之达到最大容重。骨料密实骨料空隙最小，胶凝材料总量最少，水泥用量最少，水用量最少，使结构均匀密实。以减少化学收缩、温度裂缝、干湿裂缝;同时水泥用量少，析出的Ca(OH)，避免了碱骨料反应的产生;水泥水化生成的水化铝酸钙少，与硫酸盐反应引起的混凝上裂缝也减少;混凝上孔隙小，混凝上结构结构密实性高，防止了硫酸盐、氯离子的侵蚀，进一步减少了侵蚀裂缝的产生。
2 应根据工程使用功能与混凝上结构周围环境的具体情况设计混凝上的目标性能。中国的传统混凝上工程面临“四害”—盐害(钢筋混凝上的氯离子腐蚀)、冻害、碱害、环境水质和大气腐蚀。因此，高性能混凝上的设计要根据工程环境提出的耐久性要求并结合工程的使用功能，用“整体理论”的方法设计混凝上的目标性能。
3在控制水灰比的同时控制水骨比，使混凝上满足高强度的同时基本上不易腐蚀。按Rush提出的相图，当混凝上的水灰比W/C >0.38时，水泥全部水化，但水泥石中有毛细水和孔隙，混凝上抗渗性、耐久性降低;当W/C
对普通混凝上W/C可控制混凝上强度;对高强混凝上W/B(水胶比)可控制其强度;对高性能混凝上就须增加一个参数—W/S(水骨比)来控制其耐久性。W/S越小高性能混凝上的耐久性越好，当W/S
4根据工程的使用需要掺加合适的矿物超细粉，代替部分水泥。在高性能混凝上中用合适的矿物超细粉替代等量水泥可使混凝上优化，具体体现在:
a.使胶凝材料密实度提高，胶凝材料水化后密实度、强度也提高，抗侵蚀能力提高。
b.可改善混凝上中水泥石与粗骨料间的界面结构，混凝土的强度、耐久性都得到提高。
c.降低硬化后混凝土中的Ca(OH),CAH量，提高混凝上的抗侵蚀能力。
d.可减少化学收缩、干缩、降低水化热，减少开裂，使混凝土强度、耐久性好。
e.可改善混凝上的孔隙结构，对其抗渗性、耐久性十分有利。
5对于碱活性骨料的应用加以限制、)研究表明碱一骨料反应的三个条件是:使用了碱活性骨料、使用了高含碱量的水泥、混凝上结构所处的环境中有水。碱一骨料反应除可以用复合使用矿物细掺料的方法加以抑制外，也可以采用破坏喊一骨料反应发生的条件等方面加以避免。
6掺加高效减水剂
掺加高效减水剂，可降低单位用水量，增加拌和物流动性，使混凝上质量均匀，混凝土强度高、耐久性好。
五、结语
高性能混凝土是混凝上发展的必由之路。在进行高性能混凝土设计时，应在考虑高强度的同时注意混凝上裂缝、孔隙等引起的耐久性问题，运用“均匀密实”及“整体理论”的方法才能获得高性能混凝土。
参考文献：
[1] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土. 北京:中国铁道出版社,1999
篇8
关键词：普通混凝土；胶强区间； 胶凝特征值； 胶强公式
1.对普通混凝土配比中应用水胶比公式的考量
《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011[1]，以下简称2011配比规程。2011配比规程中当混凝土强度等级小于C60时，混凝土水胶比宜按下式计算：W/B =aa・fb/（fcu，o+ aa・ab・fb）。在新中国建立后的大规模国民经济的基本建设中，虽经多次修编混凝土配比规程，但至今以来都是应用此经典公式。水胶比公式译称鲍罗米公式，是1930年瑞典学者鲍罗米首先提出的。对沿用此公式存有以下质疑。
1.1 水胶比公式以间接求解法计算混凝土胶凝材料用量的思考。
根据以往混凝土工程实例，工程界得到混凝土强度依赖于胶凝材料强度的结论。胶凝材料在普通混凝土配比中起到至关重要作用，配比规程中建立水胶比公式的第一求解，既应是胶凝材料用量。现有配比规程的实际计算中，水胶比公式求解的是：用水量与胶凝材料用量的一个相对比值，配比中的用水量、胶凝材料用量只是一种粗略比例关系。胶凝材料用量要根据施工混凝土拌和物的稠度、选用粗骨料的品种、粒级范围，在与之相关的干硬性或塑性混凝土的经验性用水量选用表中，选取配比的第一个相应解值是用水量，并以此值为计算基础，通过水胶比公式的比例关系，来间接反推计算胶凝材料用量。用水量自身是在经验性用水量表中选取的一个粗略的经验值，还要以此值为比例基数计算胶凝材料用量，此间接反推算式是难以获得准确计算胶凝材料用量的。
在混凝土工程配比的大量研究中，有研究专家提出混凝土配比组成，靠计算来确定混凝土配比值的质疑，而是要通过多次试配比较获得混凝土配比值的定论。就因水胶比公式求解的只是一个相对比值，而胶凝材料用量要通过水胶比公式间接反推求得。胶凝材料在普通混凝土配比中起到至关重要的作用，用此间接反推求解配比中胶凝材料用量的方式方法是否可予重新考量。
1.2 水胶比公式使用回归系数求解胶凝材料用量的可靠性。
水胶比公式中使用的回归系数aa、ab，是通过大量试验数据统计计算的结果，有其通用性、适用性。但其系数引用在一个以间接方法求解胶凝材料用量的水胶比公式中，它的通用性和适用性是否还具有其可靠性。在1996年、2000年、2011年连续三年修编的配比规程中，水胶比公式的方程式没变，只是根据修编年代统计试验数据的计算结果，每次都把公式中回归系数的量值作了调整。在水胶比计算公式下，要在经验性用水量表中选取用水量，是粗略的确定一个比例基数，即使前面计算参数的精准度再高，也难以保证后续予求参数的可靠性。
1.3 水胶比公式计算普通混凝土配比的胶凝材料用量变数大。
在普通混凝土的配比设计中，对水泥强度等级及富余系数的选用，矿物掺合料的掺量、影响系数的选用，施工混凝土强度标准差的选用，是在一定取值范围选取，当其选取参数不同计算出的水胶比就不同。再根据粗骨料的品种、粒径范围，拌合物稠度等施工工艺要求选择用水量，又因选择用水量的不同，导致计算混凝土配比中的胶凝材料用量变数大。即使在同批次原材料，同一施工工艺条件下计算普通混凝土的配比，当计算参数选用不同，具体计算设计配比的人员不同，时有因计算普通混凝土配比中的胶凝材料用量过大或过小，不在合适的经济质量区间，造成工程建设质量或工程经济效益的不利影响。
2.水泥与混凝土强度等级的区间分划引领配比思路的创新。
在从事混凝土施工配合比的工作中，对以间接反推方式计算胶凝材料用量，进行了分析和考量，总觉得此方式方法存在有待改进的提升空间。在几年前撰文者就已构思立意：应建树卓识的创新理论，从直解方式的路径着手，采用简捷的表达算式，来创新现有计算胶凝材料用量的方式方法。在认真学习标准规范，阅读相关教科书，归纳理论的经验的专业知识点，来演绎构建普通混凝土配比设计的创新思路。
2.1 鲍维斯经验公式引申混凝土配比拟分区间构思配比新思路。
混凝土：以水泥、骨料和水为主要原材料，也可加入外加剂和矿物掺和料等材料，经搅拌、成型、养护等工艺制作的、硬化后具有强度的工程材料[2]。它广泛应用于工业与民用建筑，是现代建设不可缺少的多用型工程材料。二十世纪六十年代美国著名水泥化学家鲍维斯，建立了普通混凝土强度的胶空比X概念：既凝胶体积对凝胶体积加毛细孔体积的比值，用以表示毛细孔被凝胶体填充的密实程度[3]。以胶空比讨论水泥浆体或混凝土的强度，可以更直接地说明内部结构的形成状态。鲍维斯通过实验得出硬化水泥浆体抗压强度R和胶空比X的经验公式：R=KXn。式中n=2.6～3.0，K值基本为常数，当X=1， R=K。K的物理意义是硬化水泥浆体的潜在最大强度。解析胶空比始终有X≤1。当X≤1时，从鲍维斯经验公式有R≤K，引申设计混凝土配比强度，应等于或小于硬化水泥浆体潜在最大强度之R≤K推论。国家制定水泥产品质量的强度标准有等级区间分划，既设计混凝土强度等级在一定区间，应不高于水泥强度等级来构思混凝土配比设计新思路。
2.2 普通混凝土在相应强度范围存有设计可控胶强区间的推论。
在工程材料应用设计选用参数中，强度参数是各种参数中的首选。水泥强度、混凝土强度其等级的设置与区间分划，都是通过材料力学试验，检验标准尺寸样本的强度极限来区分强度等级。水泥与混凝土两种产品因同属聚集结构的水泥基质材料，其具有同质等强的性质。在材料学中：组成相同的材料其强度决定于孔隙率[4]。在混凝土强度的设计配比中采取可控措施，控制混凝土孔隙率来调控混凝土的强度等级，为设计混凝土强度等级在一定范围可小于水泥强度等级。基于鲍维斯的经验公式和材料同质等强的性质，设计混凝土强度等级不应高于水泥强度等级；基于组成相同的材料其强度决定于孔隙率，设计混凝土强度等级在一定范围，存有可小于水泥强度等级的区间分划理论。在O计混凝土配比时，用可控方法使胶凝材料在凝聚固结粗细集料，形成具有设计要求强度的同时，还存有可利用孔隙率来调控混凝土强度的区间范围，既是设计混凝土强度等级在一定区间范围存有可控胶强区间构建的推论。胶强区间构建是普通混凝土强度等级区间分划理论的引申。
例选用32.5强度等级水泥，对应设计普通混凝土的强度等级在C10～C30区间，为32.5强度等级水泥对应设计普通混凝土强度等级之胶强区间。我国通用水泥标准主要有四个强度等级，既有四个与水泥强度等级相之对应混凝土的胶强区间。胶强区间是设计普通混凝土的强度等级时，优先考虑选用水泥强度等级的经济质量区间。
2.3 三编规程统计拟定不同水泥强度等级对应的T值mbe值。
本文从1996年、2000年、2011年连续三次修编的配比规程中，以相同原材料及工艺条件下，对普通混凝土配比中的水泥用量做了专项统计计算，统计归纳绘有《三编配比规程、四强度等级水泥、C10～C60强度等级普能混凝土计算胶凝材料用量统计表》，见附后（图表2.3―01）。分析胶凝材料用量统计表，归纳计算普通混凝土配比胶凝材料用量，在水泥强度等级高低的竖向区间，有水泥强度等级高的区间级差小，水泥强度等级低的区间级差大。在同一水泥强度等级对应逐级计算普通混凝土强度等级之横向区间的水泥用量，有区间级差呈线性规律变化的特征。文中将不同水泥强度等级之竖向区间级差的大小，与横向区间级差之规律变化的特征，拟为不同水泥强度等级各自具有的胶凝特征值，其胶凝特征值以字母T表示。
分析以上计算胶凝材料用量统计表中，四个水泥强度等级对应构建四个混凝土强度等级的胶强区间，胶强区间有各自的上、下区间值。上区间值等于水泥强度等级10位数上的强度级，下区间值控制在上区间值下20的整数级。在胶强区间的下区间值，统计拟有各自对应的最小胶凝材料用量限值，最小胶凝材料用量限值以字母mbe表示。
综上所述在四个水泥强度等级，对应四个混凝土强度等级的胶强区间，则有统计拟定的T值、mbe值。见（图表2.3―02）：
（图表2.3―02）
水泥强
度等级 胶强区间下、
上区间值 T值 mbe值
32.5 C10～C30 7.8 210
42.5 C20～C40 6.8 230
52.5 C30～C50 6.0 250
62.5 C40～C60 5.4 270
3.创建胶强公式简化普通混凝土配比设计路径的新论方法
3.1 胶强区间与强度标准差构建保强区间的组成与区分及应用。
在进行普通混凝土配比设计时，当混凝土设计强度标准值取在胶强区间靠近上区间时，因施工工艺条件不同，选用混凝土强度标准差不同，至计算普通混凝土的配制强度值，时有超出上区间值近10MPa的强度值，文中将超出上区间10MPa的强度值，拟为混凝土强度等级在胶强区间靠近上区间时为保证其强度作用的，属保强区间之理论范围的控制值。所在设计混凝土强度等级计算胶凝材料用量时，有超出胶强区间10MPa的混凝土强度等级排列在此胶强区间。
3.2 胶强区间构建与胶凝特征值的拟定助创胶强公式的建立。
从鲍维斯的经验公式引申，混凝土的抗压强度应等于或小于硬化水泥浆体的潜在最大强度之R≤K推论。从材料学有组成相同的材料其强度决定于孔隙率的理论，到普通混凝土强度等级在相应强度范围存有设计可控之胶强区间的构建。从三编配比规程统计拟定四个不同水泥强度等级各自对应的胶凝特征值T，和混凝土强度等级在胶强区间的下区间值，有各自对应的最小水泥用量限值mbe。至此演绎：在已知混凝土设计强度等级，与其相应胶强区间，确定选用相应胶凝材料的强度范，列解普通混凝土配比计算胶凝材料用量的算式，简称混凝土配比设计之胶强公式：
mbo=T（fcu.o-H）+mbe （3.2）
注：mbo― 普通混凝土配比中计算的胶凝材料用量（kg/m3）；
T ― 水泥强度等级各自对应的胶凝特征值；
fcu.o―普通混凝土配比中计算的配制强度值（MPa）；
H ― 水泥强度等级对应混凝土胶强区间的下区间值（MPa）；
mbe ―胶强区间的下区间值对应的最小胶凝材料用量（kg/m3）；
（胶凝材料―混凝土中水泥和活性矿物掺合料的总称）。
3.3 应用胶强公式计算混凝土配比拌合物中胶凝材料用量的例举。
3.3.1 选用42.5强度等级水泥，对应设计混凝土强度的胶强区间为C20～C40。现设计配比C40强度等级混凝土，42.5强度等级水泥的胶凝特征值T为6.8，胶强区间其下区间值的最小水泥用量为230kg/m3。当施工混凝土强度标准差选6时，C40强度等级混凝土配制强度为C49.87，用胶强公式计算胶凝材料用量：
mbo=6.8×（49.87-20）+230≈433 kg
上式计算配制强度为C49.87，此C49.87超出42.5强度等级水泥对应胶强区间的上区间值C40近10MPa强度值。式中将这10MPa的强度值归位到胶强区间之上的，是保证胶强区间靠近上区间值的混凝土强度等级质量的，起保强作用属保强区间之概念范围的控制值。
3.3.2 选用42.5强度等级水泥，对应设计混凝土强度的胶强区间为C20～C40。现设计配比C20强度等级混凝土，42.5强度等级水泥的胶凝特征值T为6.8，胶强区间其下区间值最小水泥用量为230kg/m3。当施工混凝土强度标准差选3时，C20强度等级混凝土配制强度为C24.93，用胶强公式计算胶凝材料用量：
mbo=6.8×（24.93-20）+230≈264 kg
上式配制强度C24.93在42.5等级水泥对应的混凝土胶强区间内。
42.5强度等级水泥、C20～C40强度等级混凝土胶凝材料用量对应混凝土之胶强区间线性图
3.4 胶强公式计算普通混凝土配比中胶凝材料用量的参考图表。
汇总胶强公式计算普通混凝土配比C10～C60胶凝材料用量的参考图表，是根据四个水泥强度等级对应混凝土强度等级之四个胶强区间，已知混凝土的设计强度，混凝土强度标准差，混凝土施工配制强度，计算普通混凝土在不同胶强区间配比的胶凝材料用量，经统计汇总后设计绘制的参考图表，见附后（图表3.4―01）：
4.胶强公式优化配比计算的意义与混凝土配比工作的责任。
4.1 创建胶强公式优化普通混凝土配比计算的实用意义。
胶强公式优化普通混凝土配比计算胶凝材料用量的创新理论与方法，是根据设计混凝土强度等级确定选用水泥强度等级，并在对应胶强区间，用胶强公式计算普通混凝土配比中胶凝材料用量。胶强公式的应用，有利于工程建设质量的保证作用和混凝土配比设计人员实用操作。在普通混凝土的配比中创建胶强公式，客观的反映了普通混凝土具有整体强度的决定性因素，在于胶凝材料的强度与胶凝材料的合理用量。此既优化普通混凝土配比计算胶凝材料的实用意义。
4.2 混凝土配比的科学研究与承担混凝土配比工作责任的区分。
利用现代科技手段研究分析混凝土配比及材料的物理、化学变化，微观结构特征，呈现多命题的研究成果，推动混凝土这一多用途建筑材料在工程领域广泛应用。但混凝土的施工应用与其研究工作的责任不同，在工程领域实际使用中，我们日常见到的是混凝土搅拌站或工程施工现场堆集的砂、石、水泥、矿物掺合料等表质的建筑材料，用精炼的易于掌控又切实可行的计算式来做普通混凝土的配合比，是工程技术人员在施工管理中常需做的，并要留存文档技术参数，承担工程建设质量与经济责任的重要技术工作。
Y束语：本文探索创建的胶强公式，已在2011配比规程的规范之外，是不同于水胶比公式而拥有创新理论的算式方法。文中胶强公式，以列式代数方程直接表达混凝土强度与胶凝材料强度之间的量化关系，是优化普通混凝土配比计算胶凝材料用量在算式方法上的锐意创新；从构建混凝土强度等级区间分划在相应强度范围存有设计可控胶强区间，到拟定水泥强度等级各自具有胶凝特征值，是配比设计理论的开拓创新。以上既是探究普通混凝土配比设计路径的新论方法。
参考文献
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篇9
关键词：地下工程超长无缝结构设计技术
1．地下工程超长无缝结构设计原理
地下工程超长无缝结构设计的思路是“抗放兼施，以抗为主”，利用膨胀加强带所建立的预压应力，与混凝土抵抗收缩变形所产生的拉应力达到补偿平衡，这是设计的关键。膨胀加强带的构造一般共设置二道(包括底板、墙板、顶板)，宽度2m，在加强带的两侧架设密孔钢丝网，网孔5mm，以防止带外混凝土流入加强带，带内增加水平构造钢筋，加强带混凝土强度等级要求比两侧混凝土提高一级，施工中，先浇一侧带外混凝土，浇到加强带时，改用膨胀混凝土连续浇捣。膨胀混凝土用于超长结构无缝施工，其限制膨胀率设计和设定非常重要，膨胀率偏小，则补偿收缩能力不足，无缝施工难以实现，膨胀率过大，对混凝土强度有明显的影响。微膨混凝土的设计，主要是在混凝土的配比中掺入适量的外加剂、添加剂，使得混凝土在凝固过程中产生水化热和凝固后的干燥收缩，即热胀冷缩所产生的变形压缩到最低的一种构思。
2．某工程概况
该工程为一商业广场，地下工程为现浇钢筋混凝土框架结构，长约440m，宽约420m，地下一层，局部二层，总建筑面积42万平方米，地下室占地面积16万平方米，建筑面积19万平方米。基础为嵌入式整体肋梁筏板，底板厚400-700mm，地梁尺寸多为1000×1500mm，外剪力墙厚350-400mm，混凝土设计标号C30/S10。结构属于超长无缝混凝土结构。
3. 超长无缝结构设计技术
3.1超长无缝结构总体设计
对于超长结构工程的无缝设计问题，目前已形成了较系统的经验和理论。膨胀剂在常规掺量下，一般可60m不设缝，当超过60m时，可采用“加强带”解决，带宽2m，“加强带”内大掺量，带两侧普通掺量。带两侧设钢丝网，目的是防止两侧混凝土流入“加强带”内。施工时连续浇筑，浇到加强带时改换配合比。
结合超长结构无缝理论和膨胀剂抗裂技术要求，根据本建筑要求及地基情况，底板分为A-F六个区域，使用掺YQA膨胀补偿收缩混凝土。每个分区内大约每40m设一条膨胀加强带，带宽2m；加强带二侧设孔径小于5mm钢丝网，带中膨胀混凝土掺入12％YQA膨胀剂，混凝土标号较底板砼增加5MPa。每80m设一条后浇加强带，带宽800mm，带中掺入12％YQA膨胀剂的膨胀混凝土，混凝土标号较底板砼增加5MPa。
对于工程地下室超长、结构及工程地质条件复杂，施工技术要求较高情况，除必须满足强度、刚度、整体性和耐久性外，还存在裂缝控制及防水问题。所以如何控制混凝土硬化期间水泥水化过程释放的水化热所产生的温度变化和混凝土干缩的共同作用，产生的温度应力和收缩应力导致钢筋混凝土结构开裂，成为施工技术的关键。
3.2后浇加强带与膨胀加强带设计
后浇加强带是一种扩大伸缩缝间距和取消结构中永久伸缩缝的有效措施，它是施工期间保留的]临时收缩变形缝，保留一定时间后，再进行填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构，这是一种“抗放兼施，以放为主”的设计原则。因为混凝土存在收缩开裂问题，后浇加强带的设置就是把大部分约束应力释放，然后以膨胀混凝土填充，以抗衡残余收缩应力。后浇加强带间歇施工，总长度控制在80m左右。
为确保地下工程混凝土底板和墙板在施工和使用阶段不出现有害裂缝，采用了YQA膨胀剂。A-F区域各个分区内大约每40m设一条膨胀加强带，带宽2m；带两侧设孔径小于5mm钢丝网，带中用12%YQA膨胀剂，混凝土标号增加5Mpa，带外用常规掺量膨胀剂混凝土。每80m设一条后浇加强带，带宽800mm，按常规方法施工，带中用12%YQA膨胀剂。即“后浇加强带-膨胀加强带-后浇加强带”的设计及施工技术（图1）。
钢丝网 膨胀应力曲线
YQA YQA
2m
加强带 收缩应力曲线
图1后浇加强带设计做法示意图
膨胀加强带分段设计，每条总长度控制在80m左右，连续施工，即在80m的中段设一条加强带。膨胀加强带与后浇加强带设计示意如图2。
图2膨胀加强带与后浇加强带设计示意图
3.3膨胀剂使用设计
掺膨胀剂的补偿收缩混凝土在限制条件下使用，构造（温度）钢筋的设计和特殊部位的附加筋符合《混凝土结构设计规范》(GB50010)规定。
在地下室底板、外墙后浇缝最大间距不超过80m情况下，后浇加强带回填时间应不早于45d。
4. 大体积混凝土配合比设计
本地下工程混凝土工程量为25万立方米，混凝土配合比规模较大，优化配合比设计主要从以下个方面控制。
4.1混凝土原材料要求
水泥选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥（GB175-1999）。YQA膨胀剂符合混凝土膨胀剂（JC476-2001）技术标准。粗骨料粒径不大于4.0cm，且含泥量小于1％，泥块含量小于0.5%。细骨料细度模数2.5以上，含泥量小于3％，泥块含量小于1%的中粗砂。其它外加剂达到国家规定的品质指标，使用前作适应性试验。YQA型混凝土膨胀剂可以与减水剂、缓凝剂等复合使用，YQA混凝土中掺用的其他外加剂，符合《混凝土外加剂应用技术规范》（GBJ50119），满足施工条件要求。各种材料的运输与保管按有关标准执行。但是，对于膨胀剂作如下规定：在运输与保管过程中不得受潮和混入杂物，并应单独存放；膨胀剂有效期为一年。
4.2大体积混凝土配合比设计
根据设计要求及工程的不同部位、混凝土标号、膨胀率和收缩率、以及施工时所要求的混凝土塌落度指标进行YQA混凝土试配。
搅拌站选择泵送剂时，除对减水率进行要求外，必须考虑其缓凝时间，因为工程在秋冬季节施工，比较实验室凝结时间而言现场的混凝土凝结速度要快一些，因此必须根据气温变化调整缓凝剂的掺量，确保现场混凝土的初凝时间不得少于10小时。入模混凝土坍落度120-130mm，同时确保混凝土不得有泌水现象。
抗裂混凝土，其性能应满足下表的要求，限制膨胀率与干缩的检验按补偿收缩混凝土的膨胀率及干缩率的测定方法进行。
表1有关混凝土的抗裂技术性能
项目 限制膨胀率（×10-4） 限制干缩率(×10-4) 抗压强度（MPa）
龄期 水中14天 水中14天，空气中28天 28天
性能指标 ≥1.5 ≤－3.0 满足设计要求
表2填充用膨胀混凝土的技术性能
项目 限制膨胀率（×10-4） 限制干缩率(×10-4) 抗压强度（MPa）
龄期 水中14天 水中14天空气中28天 28天
性能指标 ≥2.5 ≤－3.0 满足设计要求
本工程C30/S10混凝土配合比设计如下：
表3混凝土配合比设计参数表
水泥 YQA 粉煤灰 砂子 石子 缓凝减水剂 水
280 22.4 43 789.6 1005 4.96L 190
混凝土7天膨胀值128×10-6，抗压强度36.9Mpa，满足设计要求。
参考文献：
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篇10
【关键词】钢管混凝土；脱空；防治措施
中图分类号：TV331文献标识码： A
一、概述
钢管混凝土的基本原理是借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性，借助钢管对核心混凝土的“套箍作用”，使核心混凝土在工作时处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。钢管混凝土系杆拱桥是指拱肋采用了钢管混凝土材料的系杆拱桥。
钢管混凝土材料应用于桥梁结构最早始于1879年，英国Severn铁路桥桥墩采用了钢管混凝土材料，目的是为了防止空钢管锈蚀[1]。1990年，我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥成功建成，拉开了我国钢管混凝土拱桥发展的序幕。据不完全统计，截止目前，我国已建成钢管混凝土拱桥300座以上。
钢管混凝土拱桥自出现以来，在短短的几十年间得到了飞速发展，主要是由于钢管混凝土拱桥具有以下优点：① 承载能力高。对于薄壁钢管来说，由于它对局部缺陷很敏感，其承载能力极不稳定，而在钢管中灌注混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管延缓了混凝土受压时的纵向开裂，而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部失稳。钢管混凝土的承载力高于二者单独承载时的承载力之和；② 塑性和韧性好。单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性，尤其对于高强度混凝土更是如此，但钢管混凝土中的核心混凝土在钢管的约束下，不仅在使用阶段改善了它的弹性性能，而且在破坏时能产生很大的塑性变形，从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。在冲击荷载或振动荷载作用下，会表现出很好的韧性[2]；③ 经济性好[3]；④ 施工方便。钢管拱肋本身就可当作侧模，省去普通钢筋混凝土施工支模、拆模等的麻烦；⑤ 耐火性好。由于钢管内填充了混凝土，在高温情况下，与空钢管相比，它的软化温度极大提高，而在急剧降温时不会像普通钢筋混凝土结构那样爆裂[4]。
目前，钢管混凝土材料的本构关系还没有完善成熟的理论，且专门针对钢管混凝土拱桥的设计施工规范还在制订当中。钢管混凝土拱桥虽然应用广泛，但其理论研究还需进一步完善。由于缺乏足够的理论支撑逐渐暴露出不少问题，尤其是钢管与管内混凝土之间的脱空问题。钢管混凝土的脱空，是指核心混凝土内部出现空洞、不密实或者是钢管与核心混凝土在界面处分离开来的现象。根据脱空的形式，钢管混凝土拱桥的脱空可分为两种情况：① 拱肋内部混凝土不密实；② 钢管与混凝土界面脱离。钢管混凝土的优越性主要靠钢管和管内混凝土的牢固结合形成整体共同受力才能体现，这就需要保证管内的混凝土与钢管内壁之间能紧密接触，处于径向挤压的工作状态，这样“套箍作用”才能发挥。但在目前对服役钢管混凝土拱桥的调研过程中发现，大部分钢管混凝土拱桥拱肋钢管与混凝土都在脱空状态下工作，且大部分为第二种形式的脱空[5,6]。
脱空问题比较复杂，主要表现在脱空的检测手段不够完善，脱空的程度和范围难以定量，脱空对受力性能影响的理论研究还不够深入，经济有效的脱空防治措施还比较缺乏等方面。本文主要系统总结钢管混凝土拱桥脱空产生的原因及其受力性能降低的机理，有针对性地研究经济有效的脱空防治措施。
二、脱空成因
目前，国内外对钢管混凝土拱桥脱空产生的原因的研究取得了一定的成果，有代表性原因如下：
文献[7]研究了钢管混凝土中核心混凝土的收缩与膨胀特性，认为收缩中以核心混凝土的冷缩（温度下降造成的收缩）和徐变收缩为引起脱空的最主要影响因素，并提出了使用延迟膨胀剂改善钢管混凝土脱空的建议。
文献[8]认为泵送施工工艺是引起脱空的原因之一。核心混凝土的施工多采用泵送顶升法，泵送顶升是指采用混凝土泵将混凝土从拱脚注入钢管拱肋内，混凝土由下向上运动。在这一过程中，造成脱空的主要原因是钢管内空气存在临界逃逸角，混凝土在运行过程中将空气封闭形成气腔，而气腔本身的浮力不足以使空气排开混凝土沿钢管壁向上运动。当高出拱顶约2m的出浆口喷浆后，钢管内各部分的压强均达到最大值，钢管内的空气将永久封闭。另外，由于各种原因泵送混凝土内含有一定微气泡形式的空气，空气经汇集后会沿钢管上升，最后滞留在平缓段，使拱顶平缓段混凝土与钢管脱空增大。
文献[9]认为除了泵送过程，混凝土本身的质量外，膨胀剂的掺入量也是引起脱空的原因之一，正确使用膨胀剂非常重要，有时还掺入粉煤灰，以改善混凝土组分的颗粒级配，增加致密性。混凝土收缩严重或在浇筑过程中混凝土并不是很密实，以及由环境温度的变化引起钢管与核心混凝土的温差均是引起脱空的重要原因。
文献[10]从现有钢管混凝土脱空的情况分析，将钢管混凝土脱空的原因分为初期（从混凝土开始浇注至终凝），早期（混凝土终凝后至十四天左右）和长期（桥梁运营期）三个阶段。在初期阶段新拌混凝土的泌水和沉缩是脱空的主要原因。在早期阶段混凝土水化硬化过程的化学收缩和自收缩以及混凝土早期凝结硬化过程中水化热引起的冷缩是脱空的主要原因。在运营阶段，日照作用下引起的内外温差和季节温差以及混凝土的后期收缩是脱空的主要原因。该文献还对各种原因引起的脱空高度进行了比较，认为对脱空高度影响最大的是新拌混凝土的泌水量，钢管直径越大，越容易出现脱空，脱空高度也越大；日照温差和季节温差是引起钢管混凝土脱空的第二大原因，其脱空高度仅次于泌水和沉缩造成的脱空高度，而这种原因造成的脱空是较难彻底消除的。
文献[11]根据广义平面应变的厚壁圆筒理论研究了钢管混凝土构件受压时的工作性能，认为轴向压力、温度是使钢管混凝土产生脱空的主要原因。在轴向压力作用下当钢管与混凝土之间的拉应力大于钢管与核心混凝土间的粘结强度时，钢管与混凝土之间会产生脱空现象。
文献[6]认为轴向压力、温度荷载和核心混凝土收缩是引起第二种形式脱空的主要原因，这种结论被业内人士广泛接受，文献还对此种脱空对拱桥受力性能进行了深入研究。
三、钢管混凝土脱空对策
根据不同的脱空成因，不同的学者提出了不同的脱空防治措施。文献[12]提出从设计指导思想上来预防脱空对钢管混凝土拱桥造成的危害，考虑到目前还没有成熟的技术解决脱空问题，故在设计时不考虑钢管对混凝土的套箍作用，而是将钢管与混凝土看成两个平行杆件进行设计和计算，并在构造上设置加强措施（设置纵向加劲肋和横向法兰圈），以尽量保证二者能够整体受力。此方法过于保守，会造成极大的浪费。
文献[13]提出采用二次灌浆法解决钢管混凝土脱空，其具体做法是：在脱空处对钢管钻孔，压入高强度水泥浆或改性环氧砂浆使钢管与核心混凝土密实。通过工程实例发现二次灌浆后构件的承载力、弹性模量基本得到恢复，而在灌浆前，构件由于脱空导致承载力的下降最大达到33%。
二次灌浆虽然是目前比较实用和有效的方法，但是二次灌注的水泥浆也还可能由于收缩或灌注不饱满使钢管和混凝土之间再次出现裂缝。因此，在对钢管压浆之后还要用超声波对管内混凝土质量进行检测，遇到不密实的地方再次进行压浆。
文献[8]提出了通过内置排气管抽气法给空气逃逸提供通道，在混凝土泵送结束后进行负压抽吸，振捣排浆管内混凝土，钢管外辅助振捣措施等后期处理措施。此方法较难操作，故不常采用。
文献[14]提出在材料使用上防止脱空的产生，如采用线膨胀系数小的钢材或钢纤维混凝土、活性粉末混凝土等。在施工过程中采取在拱顶预压、低温封拱等方法，也可以有效预防钢管混凝土拱桥的脱空。另外，在钢管横穿螺栓，阻止混凝土径向收缩；钢管外包裹保温（防晒、防冻、隔热）材料，降低钢管和核心混凝土的温度变化幅度，使两者的温度趋于接近，从而避免钢管混凝土的脱空。
上述防治措施对于钢管混凝土的脱空处理具有一定的效果，但在实际工程中，由于工程的复杂性，往往不易确定最佳防治方案，且有些方法不具有可操作性。因此，面对钢管混凝土系杆拱桥的快速发展，急需开发新的脱空防治措施。
四、脱空使受力性能降低的机理
为了有针对性地采取脱空防治措施，首先要弄清脱空使受力性能降低的机理。脱空使受力性能降低的原因主要包括两个方面：（1）脱空使钢管混凝土拱桥在受到直接或间接荷载作用时钢管与核心混凝土之间产生轴向相对位移；（2）脱空产生的间隙使“套箍作用”不能有效发挥[6]。故本文针对这两种机理，提出钢管拱肋脱空防治的综合措施。
五、本文建议的综合防治措施
二次灌浆技术可以有效填充钢管与核心混凝土之间的间隙，使钢管对核心混凝土的“套箍作用”得到有效发挥，此处不再赘述。现着重介绍如何限制钢管与核心混凝土之间产生的轴向相对位移。
5.1 基本思路
为了防止钢管与核心混凝土之间出现轴向相对滑移，最好的方法是增加钢管与核心混凝土之间的粘结强度，但目前的材料技术还不能使粘结强度得到显著提高，根据文献[15]圆钢管混凝土钢管与核心混凝土之间的设计粘结强度仅为0.4MPa，因此目前只能考虑采用构造措施来限制钢管与核心混凝土之间的轴向滑移。
考虑沿拱肋在有限点限制钢管与核心混凝土之间的轴向滑移，至于具体采用多少个限制点可通过计算分析确定。该构造措施必须能将钢管和核心混凝土可靠地连接在一起，同时要具有足够的刚度和强度，而且不能够影响到泵送混凝土的压送。
5.2 内法兰的构造
内法兰构造如图1所示。该内法兰构造有双重作用，一是拱肋分段拼装过程中各拱肋节段之间的临时连接，二是防止拱肋钢管与核心混凝土之间的轴向滑移。内法兰不得直接与拱肋钢管焊接，而是通过肋板与钢管连接。内法兰与钢管内壁之间的空隙可以保证泵送混凝土顺利通过而不会形成封闭的气腔，所以不会造成混凝土不密实的现象。
图1 巫山大桥内法兰构造
5.3 设计参数
1. 内法兰的刚度
内法兰构造必须要有一定的刚度，否则不能起到限制轴向滑移的作用，因为钢管与核心混凝土之间的滑移量并不大，通常只有几毫米。另一方面，内法兰的刚度还与轴向滑移限制点个数有关，两者成反比关系。因此，必须正确设计内法兰的刚度。
2. 内法兰的强度
内法兰的强度必须要保证在钢管混凝土系杆拱桥丧失整体承载能力之前不破坏。内法兰的破坏形式主要为肋板与钢管内壁接触面因受剪而破坏，因此必须要保证足够的剪切面积。
3. 内法兰的数量
内法兰的数量原则上应该越少越好，一方面节约材料，另一方面不会影响混凝土的压送顶升，但数量越少刚度要求越大，因此二者必须有合理的平衡。
巫山大桥内法兰的强度、刚度及数量由江苏省交通规划设计研究院通过Midas软件计算确定，其中数量与拱肋接头数量一致，采用厚度为25mm厚Q345d钢板焊接而成，详见图1。
5.4 效果检验
巫山大桥成桥后，由江苏省交通科学研究院进行成桥检测，检测结果显示桥梁承载力、刚度等指标与设计值极为接近，表明二次灌浆和内法兰构造相结合的脱空综合防治措施效果显著。
六、结论与展望
本文对目前钢管混凝土拱肋脱空原因及常用的脱空防治措施进行了系统的总结，对脱空引起受力性能降低的机理进行了分析，在此基础上提出了采用设置内法兰构造措施来限制拱肋与混凝土之间的轴向相对位移和二次灌浆解决拱肋与核心混凝土之间的空隙的综合防治措施，取得显著效果。主要结论如下：
（1）对现有的脱空防治措施进行了系统总结，对各种脱空防治措施的可行性、经济性以及使用效果进行了分析；
（2）提出了沿拱肋设置内法兰构造限制钢管与核心混凝土之间的相对轴向滑移，提出了内法兰构造的形式，内法兰构造强度、刚度和数量的设计方法；
（3）以巫山大桥为例分析了设置内法兰构造对钢管混凝土拱桥受力性能的影响，结果表明内法兰构造和二次灌浆的综合防治措施能够显著改善脱空之后钢管混凝土拱桥在正常使用及承载能力状态下的受力性能，虽然不能达到完全粘结时的效果但与完全粘结时的受力性能已比较接近。
因此，用设置内法兰构造和二次灌浆的综合措施对脱空现象进行治理是可行的，施工工艺既不复杂也不需要增加过多的成本，该方法具有较强的推广应用价值。
目前，对钢管混凝土拱桥实际脱空程度测试研究不足。今后，对服役钢管混凝土拱桥应研究有效的检测方法用来测试钢管混凝土拱肋脱空的部位、范围和高度。通过检测结果，建立理论模型，利用有限元软件分析实际脱空情况对桥梁承载能力的影响，为研究脱空对拱肋受力性能的影响和维护加固提供依据。
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