高强度结构的特点及在岩土工程中的应用前景(刘彬,陈莉,曾光辉,程心意)

时间：2021-01-14 08:07:38　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要: 近年来，高强度结构的应用范围、推广数量、材料品种与生产工艺都有了许多新发展，高强度结构在实际工程中的应用，是一种必然的趋势。介绍了高强度结构的特点、实用范围以及材料常用的特性;同时，介绍高强度结构研究应用的现状。以一滑坡治理工程的实例说明了高强度结构在设计和施工方面比普通混凝土结构更容易，施工质量更有保证，经济上更优越。并对高强度结构在岩土工程中的应用进行了展望。

关键词: 高强度;材料;结构;滑坡治理;岩土工程

中图分类号: TU33 文献标识码: A

1 高强度结构的简介

高强度结构，即高强度预应力钢材、高强度混凝土，用先进的设计概念、方法，采用先进的生产工艺建筑起来的高强度预应力混凝土结构。

高强度结构的应用有3个要点:材料强度高，按照现代设计理论设计，生产工艺先进。关于材料，目前国内高强度结构常用的混凝土强度等级为C40～C80，甚至达到C100以上，预应力钢绞线的极限抗拉强度可达到1860MPa;现代设计理论主要是指抗震设计理论和延性设计理论等;近年来开发的先进施工工艺则包括高吨位、大冲程千斤顶和多种锚固体系。

2 高强度结构的特点及应用范围

2.1 高强度结构的特点

（1）优点。高强度结构采用高强度钢材和高强度混凝土，使结构的自重大大减轻，更好地发挥材料的力学性能。高强度结构具有许多优点，综合经济技术效果好，结构性能优越，可概括为:①能充分发挥高强度钢材、混凝土的优越性能，降低结构用钢量及混凝土用量;②平面跨度大，经济效果非常显著，结构方案更为灵活，有效面积率提高;③可有效降低结构体积，节省空间，优化经济指标;④可加快施工进度，降低材料损耗，提高工效;⑤实用范围广泛，各种工程领域都可以应用。

（2）缺点。高强度结构作为一种新兴技术，在工程应用中存在以下的缺点和不足之处:①延性小，需加强构造措施，尤其是在地震地区要特别注意;②施工过程中很多指标难以保证，施工工艺相对复杂;③在抗震地区应用时，非预应力钢材的用量加大;④设计计算理论复杂，目前国内预应力构件的截面设计一般是按照极限强度确定的，然后再校核在荷载作用下的抗裂性与挠度，计算工作量非常大;⑤普及程度不高，熟悉业务的专业人才不多。

2.2 使用范围

高强度结构目前在国内的主要应用范围有:①工业及民用建筑中的大跨度、大柱网、大开间楼盖结构;②大跨度预应力梁、屋架、吊车梁等工业厂房及民用建筑;③路面、桥梁、飞机跑道、大型基础等设计允许的工程结构;④水工结构、核电站的安全壳、电视塔、筒壁结构等大型特种结构;⑤岩土工程中的预应力锚杆;⑥特别防腐措施下，用于非正常使用环境下的结构。

3 高强度结构的材料

3.1 高强度钢材

目前我国常用的高强度材料包括高强度钢筋、钢绞线和钢丝束，其物理力学指标见表1。高强度钢材与普通结构用钢筋的设计强度比较见表2。

一般认为，普通预应力结构可比普通混凝土结构节省20%～40%的混凝土、节省30%～60%的钢材，而结构造价一般相差在2%～5%。从表2又可知，高强度预应力钢筋和钢绞线比普通预应力钢筋和钢绞线的强度又有很大的提高，可见，在相同荷载条件下高强度预应力钢筋和钢绞线的应用，可以进一步减少钢材的使用量。

目前，随着材料科学的不断进步，更多强度更高、使用性能更好的高强度预应力钢材不断问世，例如高强低松弛钢丝、两面或三面刻痕钢丝等。

3.2 高强度混凝土

从我国当前技术水平和材料的性能特点出发，一般将强度等级不小于C50的混凝土称为高强度混凝土。

高强度混凝土是在高效减水剂发明后开始发展的，它是用普通水泥砂石等原材料和常规工艺配制，具有良好的工作性能，能满足预拌运输和泵送的要求，强度等级高、耐久性能良好、变形小。高强度混凝土主要材料参数见表3。

与普通混凝土相比，高强度混凝土在成分上的主要区别是:①用水量大大减少;②减水剂用量提高;③水泥用量提高;④最大粗骨料粒径降低。

高强度混凝土技术的突破主要是通过采用高效减水剂和具有高活性的硅灰或其他超活性掺和料来降低水灰比，减少结构中的孔隙，改善骨料和浆体之间界面的性能，并尽量增加其密实度。随着混凝土强度的增加，其脆性也相应的增加，加入各种纤维材料与有机高分子复合物，改善钢材性能与配筋，能大大改善混凝土的脆性。在实际应用中，使用钢纤维或碳纤维的纤维混凝土对改善高强度混凝土的延性十分有效。

4 高强度结构的发展现状

我国预应力技术从20世纪50年代初起步，初期只是采用冷拉钢筋制作有粘结预应力的混凝土预制构件。从本质来讲，这算不上真正的高强度混凝土结构。

随着高强度预应力钢丝、钢筋、钢绞线和高强度混凝土的不断发展，新材料能更加实用于工程建设。同时，对高强度材料的物理力学方面的理论研究已经达到了相当的水平，在此基础上，高强度结构才真正发展起来。

近年来，已经颁布了专门用于指导预应力结构设计和施工的相关规范和规程，在工程计算领域也拥有许多专门的设计计算方法，施工工艺水平、施工设备都有了很大的改进，能更加适用于高强度结构。这些都极大地促进了高强度结构的广泛应用。高强度结构技术在工民建领域得到广泛应用，比如:首都机场停车楼采用了双向大柱网、大面积超长度有粘结预应力结构技术，建筑面积达17万m2 ，再如，秦山、大亚湾核电站的安全壳，也都采用了高强度结构技术。

5 高强度结构在岩土工程中的应用

5.1 高强度结构在岩土工程中的应用现状

目前，从总体上讲，高强度结构在岩土工程领域应用不多，真正的应用也只是最近20a开始的。

在岩土工程中应用最多的高强度混凝土结构是预应力锚杆和锚索，其中预应力锚索应用最多。预应力锚索的主要施工工艺为:钻孔;将钢绞线或者钢丝束插入孔内，灌注锚固砂浆作为锚固段;在锚固段砂浆的强度达到规定要求后，预拉钢绞线或者钢丝束;在钢绞线和孔壁之间灌注砂浆;紧固锚索锚头。从施工工艺看，只有钢绞线或者钢丝束采用了高强度材料，其他结构采用的都是普通材料。笔者有幸参加了三峡库区高切坡防护工程的设计，其中一个高切坡设计的锚杆采用了高强度钢筋作为锚杆的受力体，其他滑坡、基坑、洞室开挖支护等也采用过高强度材料。但是，纵观其他行业在岩土工程的设计和施工中，应用的高强度材料主要都为高强度钢材，基本没有高强度混凝土材料。

5.2 高强度结构在岩土工程中应用的优势

前文分析了高强度结构和高强度材料的特性，根据其特性，高强度结构同样能在岩土工程其他领域发挥其高效的工程特性。

目前，在治理滑坡中，应用比较多的抗滑桩大部分利用普通钢筋混凝土结构，钢筋的强度等级最高也只用到了HRB400，极少数混凝土的强度等级选用了C40，大部分受力钢筋采用的是HRB335级，混凝土采用C25和C30。利用普通钢筋混凝土进行设计时，纵向钢筋的数量较多，钢筋布置间距调整成为设计人员最为头疼的问题。抗滑桩结构复杂，给桩井内的施工带来很大困难;桩内受拉钢筋数量多，实际工程中往往有大量的钢筋截断的位置相同或相近，造成了应力集中的现象;并且这样设计的抗滑桩断面非常大，需要消耗大量的混凝土材料。如果采用高强度材料，钢材和混凝土的材料用量将大大减少，桩井的开挖、护壁量也相应减少，不但减少了工程投资，而且能加快施工进度。

例如，某滑坡治理项目，抗震设防烈度为6度，下滑推力2650kN/m，设计方案采用抗滑桩支挡，桩间距6m，桩长11m，嵌入段长度5m，混凝土强度等级为C30，纵向钢筋强度等级为HRB335级。经过计算，设计桩断面尺寸为2.4m×3.6m，纵向抗拉钢筋57167mm2 。

在应用普通钢筋混凝土材料时，抗滑桩纵向抗拉钢筋57167mm2 。现假设设计利用直径28的HRB335级螺纹钢筋，需要93根。钢筋需要布置多排，不但结构设计困难，施工更困难。钢筋过密，混凝土的振捣施工困难，难以保证施工质量。按照弯矩包罗图配筋计算后，平均每两根钢筋截断位置的间距为75.3mm，很容易造成应力的集中。如果换成更大的桩断面结构，钢筋用量可以减少，但混凝土增加量更为巨大。

现改用高强度材料进行设计并把抗滑桩设计为预应力结构，采用后张法施工，把混凝土强度等级改为C50，纵向受力钢筋改为热处理钢筋40Si2MN，其抗拉强度设计值为1040N/mm2 ，同样进行抗滑桩断面设计计算，当桩断面尺寸为2.0m×3.0m时，抗拉纵向钢筋为20125mm2 。还是选用直径28mm的钢筋，只需要33根即可满足需要。纵向受拉钢筋的数量减少后，施工更容易，进度快，并可以保证井下施工质量。在相同条件下，混凝土的用量节省了30.56%，纵向钢筋用量节省了64.80%。

在其他岩土工程里面，应用高强度结构同样可以在不同程度上达到前面案例的效果。

5.3 高强度结构在岩土工程中的前景展望

高强度材料的发展非常迅速，现在已能制造抗压强度达到100～300MPa的高强度混凝土，再与少量树脂及纤维复合，抗弯强度达到了300MPa之高，加之高强、超强钢筋材料的发展，可以预言高强度结构必将有一个广阔的发展前景。

在岩土工程领域，高强度结构的发展可谓刚刚起步。如何将高强度材料的发展与岩土工程的设计施工结合起来，并在岩土领域有一定的发展，是每一个岩土工程工作者的责任。将高强度结构与岩土工程更加完美地结合起来，对岩土工程的发展是具有现实意义的。

作者简介: 刘彬，男，长江水利委员会长江岩土工程总公司，工程师。