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【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
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
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間，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结构中遇到的轴压比超限问题，在约束混凝土基础上发展起来的，能有效实现满足建筑、结构、经济、安全之间合理协调的新型结构。
钢筋混凝土抗震设计中，经济而有效的方法是提高结构及构件吸收地震能量的能力，利用结构或构件的变形能力来耗散地震能量。对区域约束混凝土结构抗震性能和设计方法的研究还有待于进一步深入。
参考文献
【1】曹新明，杨力列，陈宗强，曹鹏程，朱国良.约束混凝土与区域约束混凝土[D].2005-09
【2】庞新宾，区域约束混凝土柱往复荷载作用下轴压比限值研究[D]. 硕士学位论文, 2011-06
【3】陆秋旋，叶国祥，邬晓. 复合矩形螺旋箍筋对短柱轴压比限值的影响[J].广东土木与建筑.2003(2): P29-30.
【4】曹新明、柏洁. Confined Concrete in Moment Element, [ISCC] Changsha China.2004.
【5】杨雪瑞.区域约束混凝土柱往复荷载下的试验研究.贵州大学硕士学位论文[D].2009
【关键词】区域约束混凝土 抗震性能 延性 结构 应用
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
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間，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结构中遇到的轴压比超限问题，在约束混凝土基础上发展起来的，能有效实现满足建筑、结构、经济、安全之间合理协调的新型结构。
钢筋混凝土抗震设计中，经济而有效的方法是提高结构及构件吸收地震能量的能力，利用结构或构件的变形能力来耗散地震能量。对区域约束混凝土结构抗震性能和设计方法的研究还有待于进一步深入。
参考文献
【1】曹新明，杨力列，陈宗强，曹鹏程，朱国良.约束混凝土与区域约束混凝土[D].2005-09
【2】庞新宾，区域约束混凝土柱往复荷载作用下轴压比限值研究[D]. 硕士学位论文, 2011-06
【3】陆秋旋，叶国祥，邬晓. 复合矩形螺旋箍筋对短柱轴压比限值的影响[J].广东土木与建筑.2003(2): P29-30.
【4】曹新明、柏洁. Confined Concrete in Moment Element, [ISCC] Changsha China.2004.
【5】杨雪瑞.区域约束混凝土柱往复荷载下的试验研究.贵州大学硕士学位论文[D].2009