肖建莊， 張青天， 余江滔， 丁 陶， 李 巖， 沈 軍

(1. 同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2. 同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092)

建筑業(yè)是我國經濟支柱產業(yè)之一，混凝土作為建筑業(yè)的主要結構材料，用量在近20年快速增加，2015年我國商品混凝土用量已達16億m3，躍居世界第一[1].混凝土的制備會排放大量CO2，能耗總量大[2].考慮資源、能源和生態(tài)協(xié)調發(fā)展，混凝土材料和結構迫切需要可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，以應對建筑業(yè)下一個100年的需求和應用.

目前，再生混凝土材料與結構技術作為混凝土結構可持續(xù)發(fā)展的途徑之一，已有較為成熟的研究[3]，經過合理設計和科學施工，再生混凝土可以作為結構混凝土用于實際工程中.需要指出的是，無論是普通混凝土還是再生混凝土結構，目前的結構設計通常僅關注其受力狀態(tài)，功能主要通過設置外墻等圍護結構來滿足.整個構件與結構通常只采用單一的混凝土材料，常常造成不必要的浪費.

然而，縱觀自然界生物進化過程，為適應自然界的變化，各生物不斷優(yōu)化和完善自身的組織結構與性能，其特點突出表現(xiàn)在選用合適的組合與復合形式，最大限度地減少材料消耗，來滿足自身的功能需求.隨著一系列新型水泥基材料，如海水海砂混凝土、纖維混凝土、輕質混凝土、橡膠混凝土和纖維增強型水泥基材料(engineered cementitious composites，ECC)等，以及新型施工方式(3D打印、可拆裝施工等)的出現(xiàn)，完全可以結合不同水泥基材料的特點，設計出優(yōu)化的混凝土構件與結構.基于此，本文提出了“組合混凝土結構”(composite concrete structure)的新概念.

1 組合混凝土結構基本概念

將混凝土和其他材料，如鋼材和纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)，組合一起的結構形式已得到深入研究[4-5]，鋼-混凝土組合、FRP-混凝土組合以及FRP-混凝土-鋼組合結構形式已在工程中得以應用.這些“組合”將混凝土和其他材料各自的優(yōu)勢充分發(fā)揮了出來.

近年來，隨著對混凝土材料研究的不斷深入，誕生了一系列由特殊材料組成的、具有特殊功能的水泥基材料.其中，隨著纖維混凝土與ECC這類具有高延性的水泥基材料的出現(xiàn)，逐漸克服了普通混凝土受拉性能較差的缺點.鋼纖維混凝土拉伸延性達0.5%～1.0%；經特殊設計的聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(PVA-ECC)抗拉強度約為3 MPa～7 MPa，拉伸極限應變約為2%～4%.研究表明[6-7]，新型聚乙烯纖維增強高延性水泥基復合材料(PE-ECC)的抗壓強度在30 MPa～150 MPa之間，抗拉強度介于5 MPa～20 MPa，是普通混凝土的3～10倍，平均拉伸應變達8%，最大拉伸應變達到12%以上，接近建筑鋼材水平，這使混凝土自身即可通過這些材料的組合滿足各種受力要求.綜合考慮這些特種水泥基材料的特點，根據(jù)性能需求的不同，將其在材料、構件以及結構等層次進行組合，可以實現(xiàn)材料和結構的最優(yōu)化配置，形成“組合混凝土結構”.相對于混凝土與其他材料的組合形式，不同混凝土間的組合更具有相容性，經過適當處理，不同混凝土間的界面可以達到良好的整體性[8].混凝土至少可從3個層次上進行組合，分別為：

(1)材料層次：組合不同材料制備混凝土，包括骨料(天然骨料、再生骨料、輕骨料、金屬骨料)、功能性材料以及外加劑等；

(2)構件層次：構件截面和縱向上的組合.在構件截面上組合不同強度或功能混凝土，形成梯度或者分層，組合類型包括強度(高強、低強混凝土)、種類(再生混凝土、海水海砂混凝土)、組分(纖維、橡膠)、功能(防水、抗火、隔音)等；在構件縱向上組合不同的混凝土，組合方式包括按受力區(qū)域分段組合(梁塑性鉸區(qū)以及中間段)、按約束情況分段組合(變形轉動要求不同的區(qū)域)等；

(3)結構層次：組合不同混凝土構件，將最合適的構件放在最需要(受力上和功能上)的地方.

凡是符合上述組合特點的結構均可稱為“組合混凝土結構”.其概念與當前“組合結構”以及“混合結構”有一定區(qū)別，“組合結構”是指由組合結構構件組成的結構，以及由組合結構構件與鋼構件、鋼筋混凝土構件等組成的結構，其中組合結構構件是由鋼材或其他非水泥基材料與鋼筋混凝土組合能整體受力的結構構件.這種組合是將混凝土以及與混凝土性能相差較大材料(如鋼材、FRP材料)組合，而“組合混凝土結構”的組合均為水泥基材料.“混合結構”是相對于單一結構如鋼筋混凝土結構、木結構、鋼結構而言的概念，是指由多種結構形式組合而成的共同承受水平和豎向作用的建筑結構，其中各結構可構成獨立的受力系統(tǒng)，例如鋼框架與鋼筋混凝土核心筒組成的框筒結構.“組合混凝土結構”與之區(qū)別在于組合材料的性能相容性，同時，各水泥基材料共同形成受力體系.

2 組合混凝土結構原理

組合混凝土結構中存在著混凝土-混凝土的界面，這與鋼-混凝土界面在性質上存在著較大不同.通常認為，新老混凝土結合面黏結力的主要來源包括范德華力、骨料咬合力、化學作用力和表面張力.有黏性的水泥漿滲透到老混凝土的表面空隙中，硬化后的新老混凝土相互交錯黏合，包括Ca(OH)2、Aft、C-S-H在內的水化產物在老混凝土的孔隙或裂縫中生長，從而形成一定的黏結強度.從宏觀的角度看，結合面黏結力主要受混凝土表面粗糙度的影響，可以通過涂刷界面劑來提高界面的化學作用.同時，由于混凝土結構本身配筋的存在，穿過疊合面的箍筋會因為銷栓作用而提供額外的界面抗力.傳統(tǒng)鋼-混凝土組合結構疊合面的抗剪性能十分薄弱，通常通過增加剪力鍵來提供結合面的抗剪強度[9].因此，從某種角度上說，在實際應用時，組合混凝土結構在界面抗剪性能上，比鋼-混凝土結構有明顯優(yōu)勢.

目前，國內外尚未有針對“組合混凝土結構”的概念與研究，但有一些新穎的構件與結構形式，符合本文提出的組合混凝土結構的雛形，現(xiàn)對其進行剖析并對組合混凝土結構的原理進一步闡述.

2.1 組合混凝土材料

2.1.1組合骨料混凝土

合適的骨料組合，可使混凝土在使用功能上得以提升.例如，為降低大壩混凝土因堿硅酸反應而產生的膨脹，劉文潮等[10]進行了設計優(yōu)化，采用組合骨料混凝土(砂巖粗骨料+大理巖細骨料)比全砂巖骨料混凝土具有更良好的變形性能、熱學性能以及抗?jié)B性能.嚴雄風等[11]選擇天然沸石、鋼渣和浮石作為原材料形成組合骨料，優(yōu)選出最佳組合，制備出脫氮除磷效果良好的植生混凝土.不僅在使用功能上，合適的骨料組合也可改善混凝土力學性能.李壇等[12]提出了大粒徑再生骨料(最大粒徑為80 mm)與一般骨料的組合骨料混凝土.由于大粒徑再生骨料尺寸比一般再生骨料(粗骨料4.75 mm～37.5 mm、細骨料0.075 mm～4.75 mm)粒徑增大，破碎效率得到了顯著提升，同時，采用大粒徑的骨料，可使骨料總表面積減小，從而減少水泥的用量.如圖1a所示，通過立方體與棱柱體試塊的試驗，表明其抗壓強度相比廢混凝土明顯提高.吳波等[13]也提出了更大尺寸的廢混凝土塊體(特征尺寸約50 mm～400 mm)與新混凝土的組合物，如圖1b所示，而使用FRP約束可以顯著提升其性能[14].

由組合骨料混凝土建造的結構，可從力學性能和功能上，實現(xiàn)優(yōu)化結構的目的，形成組合混凝土結構，也可實現(xiàn)對綠色環(huán)保材料的應用與推廣.

a大粒徑再生骨料組合骨料混凝土[12]b大尺度廢混凝土塊體組合骨料混凝土[13]

圖1組合骨料混凝土

Fig.1Compositeaggregateconcrete

2.1.2組合功能材料混凝土

由于材料和施工等問題，混凝土表面會出現(xiàn)開裂、坑洞、蜂窩麻面、粗骨料外露等現(xiàn)象，嚴重影響建筑物的使用和安全，尤其是在嚴酷環(huán)境中的結構，表現(xiàn)出內強外弱的現(xiàn)象.因此，混凝土的面層質量越來越受到關注和重視.對于混凝土的表面處理，針對提升表面強度、抗?jié)B性能以及修復裂縫，目前已有許多表面強化與修復材料，包括納米SiO2等納米技術，應用于新建和在用混凝土的面層強化以及破損混凝土面層的修復[15].傳統(tǒng)的混凝土防護涂料僅在混凝土表面形成隔離膜，隨著時間的增加，涂料的附著力會降低，縮短了防護壽命.為提高混凝土的防護壽命，產生了外滲表面強化與修復材料的混凝土組合形式[16].如圖2所示，外滲型防護劑等活性材料，利用混凝土具有可滲透性的特點，滲入內部并與內部組分發(fā)生復雜的化學反應生成新的物質，自適應地與混凝土結合在一起，從而強化表面以及阻止外界的有害物質進入混凝土.這種組合方式，對新建混凝土結構的加強以及舊混凝土建筑的修補與加固都適用.

外滲表面強化與修復材料，是從混凝土“外部”的保護，這種思路，提供了一種新的混凝土組合方式，在混凝土“內部”保護(配合比、外加劑、摻合料等)基礎上，可以組合各類功能材料對混凝土外表的性能進行提升，這也是一種混凝土組合形式.組合功能性材料，可對結構起到強化加固以及耐久維護的作用，同樣可以形成組合混凝土結構.

圖2 混凝土外滲功能材料原理圖Fig.2 The principle diagram of the concretewith exosmosis functional materials

2.2 組合混凝土構件

2.2.1組合混凝土梁

根據(jù)梁的受力特點，一般采用的是在截面層次上下組合的形式，作為受壓和受拉區(qū)域轉換的交界面，梁的中性軸剛好可以作為組合混凝土構件間界面.設計時疊合面需滿足一定的抗剪承載力要求，主要由新老混凝土間黏結強度和箍筋配置數(shù)量確定，還與梁的破壞形態(tài)、疊合面沿梁高位置的變化、剪跨比和剪應力二次受力影響等因素有關，疊合梁的受力行為已有較為系統(tǒng)的研究[17].

結合再生混凝土特點，肖建莊等[18]提出了再生混凝土疊合梁，如圖3a、3b所示，完成了C型疊合梁與U型疊合梁的抗彎與抗剪試驗.預制梁段由于受力與耐久性考慮，采用較低的再生粗骨料取代率.抗彎試驗中，預制段為普通混凝土，后澆段為再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土；抗剪試驗中，預制段取代率為70%，后澆段為100%.結果表明，再生混凝土疊合梁截面的形狀與梁的力學性能無明顯相關，疊合面未發(fā)生對承載力和變形不利的破壞，連接完好.

aC型梁預制段[18]bU型梁預制段[18]

c ECC-RC組合梁截面[19]圖3 組合混凝土梁Fig.3 Composite concrete beams

ECC與普通混凝土梁的組合試驗表明[19]，與ECC組合可使疊合梁設計方式更加靈活，甚至可以做到無筋形式；還可以結合新型的3D打印施工方式，將ECC外殼進行打印，再澆筑構件內部混凝土.相比于一般混凝土，ECC能夠更好地與增強筋材協(xié)同變形，使得構件整體受力效率更高.同時ECC組合梁能在荷載較大時依然保持裂縫寬度在較小的一段范圍內，可有效保護梁內部鋼筋或FRP筋材不受外部有害介質侵蝕，提高梁的耐久性，其具體構造如圖3c所示，構件外殼受拉區(qū)域采用ECC預制構件，內部采用普通鋼筋混凝土.

另外，在構件縱向，由于梁端塑性鉸區(qū)域受力情況較梁中段復雜，可將塑性鉸區(qū)域與梁中段交界面作為組合界面，形成分段梁[20].結合再生混凝土，根據(jù)受力情況，將梁劃分為一個彎矩控制段和兩個剪力控制段，在彎矩控制段采用再生粗骨料取代率大于30%的再生混凝土，在剪力控制段采用取代率不大于30%的再生混凝土；施工時，在初凝后終凝前，使用振搗棒將分界面兩處分屬不同區(qū)段的混凝土振搗成一體，不形成明顯的薄弱面.這種創(chuàng)新構造不僅可以使再生混凝土構件力學性能得以提升，還能拓展再生混凝土的應用范圍.

2.2.2組合混凝土柱

組合混凝土柱的一般構造為，首先澆筑柱的口型外殼或內芯，再澆筑柱的其余部分.這樣根據(jù)混凝土材料的不同，即可形成組合混凝土柱.一般柱的柱芯位置受力較小，因此柱在截面層次上通常采用內外組合的方式.外部形成口字型，采用力學性能相對較好的混凝土，并配置鋼筋進行加強，可以在工廠預制保證其質量，內部可澆筑相對較差的材料并利用口字型外殼作為模板，同時外殼也會對內部混凝土產生一定的約束作用，提高內部混凝土的力學性能.由于約束作用，內部和外部混凝土間的界面性能也得到加強.

結合柱截面的受力特點，柱芯處采用再生混凝土，肖建莊等[21]完成了半預制再生混凝土柱的抗震試驗與分析，如圖4a、4b所示，柱的口型外殼采用普通混凝土并配置鋼筋，柱芯采用再生混凝土.試驗結果表明：普通混凝土柱、再生混凝土柱和半預制疊合柱，在低周反復荷載作用下，破壞模式均表現(xiàn)為明顯的彎曲破壞特征，即柱子根部受拉縱筋屈服，受壓區(qū)混凝土壓碎破壞.各類柱的剛度退化趨勢相似，全現(xiàn)澆混凝土柱的初始剛度略高于其他試件.改變芯柱大小會影響柱承載力，而外部預制或內部預制的施工方式對承載力影響不大，各類柱均具有良好的耗能性能.可以看到，組合柱的形式可以改善再生混凝土的力學性能，起到施工改性的作用.

如圖4c所示，結合ECC材料的組合混凝土柱試驗表明[22]，試件在反復荷載的作用下，出現(xiàn)許多細密裂縫，平行裂縫帶相互交叉，表現(xiàn)出了明顯的多縫開裂特征；在破壞時，未出現(xiàn)保護層剝落，構件完整性良好；ECC對構件耗能能力有顯著提升，組合柱各方面指標均呈現(xiàn)出良好的抗震性能.

a外部預制口型柱[21]b內部預制口型柱[21]

c ECC組合混凝土柱[22]圖4 組合混凝土柱Fig.4 Composite concrete columns

2.2.3組合混凝土板

梯度材料的基本概念早在1984年已提出[23]，其設計原理是根據(jù)構件的使用要求，通過連續(xù)改變材料的組成和結構，使材料成為性能和功能均呈連續(xù)平穩(wěn)變化的一種非均質復合材料，從而保證其物理、力學、化學甚至生物特性的連續(xù)變化，以適應不同環(huán)境特殊功能的要求.將梯度材料的這種原理應用在混凝土構件中，可形成另一種組合混凝土構件的設計思路.

Shen[24]提出了一種水泥基功能梯度材料，如圖5a所示，采用纖維體積分數(shù)作為梯度參數(shù)，試驗結果顯示，按梯度分布的各層材料之間具有良好的黏結性能，梯度分布可以很好地減小界面的應力與開裂，且分層數(shù)量越多，效果越明顯，這一結果也被其他學者證實[25].肖建莊等[26]利用再生粗骨料取代率這一指標，在混凝土板截面上將取代率按一定梯度分布，開展了再生混凝土梯度板的試驗研究.如圖5b所示，梯度板在厚度方向上分為了3層，再生粗骨料取代率從上至下分別為50%、100%和0.試驗結果顯示，不同混凝土層間沒有發(fā)生滑移，仍符合平截面假定.一般再生混凝土的彈性模量隨著再生粗骨料取代率的增加而降低，當受壓區(qū)澆筑的混凝土彈性模量較高時，板的剛度會有所提升.

可以看到，根據(jù)構件截面上受力情況的不同，以一定參數(shù)為指標(如纖維體積分數(shù)、再生粗骨料取代率)，組合力學性能合適的混凝土，可以顯著提升構件的性能，如在受壓區(qū)澆筑彈性模量較大的混凝土，中性軸區(qū)域澆筑性能略差的混凝土，受拉區(qū)澆筑延性好的混凝土，其中中性軸區(qū)域可采用全再生混凝土，受拉區(qū)可采用普通或摻有再生粉體的ECC，這樣可達到構件受力性能最優(yōu)化，降低成本.另外，梯度分布是解決組合混凝土構件中各混凝土間界面問題的有效方法，為組合混凝土構件的設計提供了新的路徑.

a 纖維梯度板[24]

b 再生骨料梯度板[26]圖5 組合混凝土板Fig.5 Composite concrete slabs

2.3 組合混凝土結構

2.3.1組合混凝土超長結構

混凝土收縮徐變所致開裂問題會嚴重影響建筑物的使用性能及耐久性能.超長屋面與地下室結構需要嚴格的裂縫控制，考慮到防水要求，這些超長結構通常不設永久伸縮縫.因此，采用摻加膨脹劑的補償收縮混凝土，用膨脹加強帶取代后澆帶，不僅能夠解決超長混凝土結構的收縮裂縫問題，實現(xiàn)結構的連續(xù)澆筑，而且具有施工方便，周期短，結構整體性較好等優(yōu)點.

圖6展示了設置膨脹加強帶后，混凝土結構內部應力變化情況[27].未設置膨脹加強帶的普通混凝土結構，在溫度收縮作用下，其應力分布曲線為ABCDE，應力由兩端向中部逐漸增大，在B、D兩點處，達到極限狀態(tài)，裂縫產生；當超長結構整體采用小摻量膨脹劑的補償收縮混凝土時，其收縮應力得到一定程度降低，應力分布曲線變?yōu)镕GHIJ，在G、I兩點處，應力達到極限狀態(tài)，裂縫產生；當整體采用小摻量補償收縮混凝土，并在合理部位G、I處采用大摻量補償收縮混凝土設置膨脹加強帶時，結構內部應力狀況得到有效改善，應力分布曲線變?yōu)镕KLMNPJ.由于加強帶處加大了膨脹劑摻量，化學膨脹能轉化為構件預壓應力，很大程度抵消了收縮應力，使得應力曲線從L、N兩點處重新增長，大大降低了結構最大應力，使其控制在混凝土抗拉強度范圍內.

可以看到，組合混凝土結構不僅可以在受力上得到優(yōu)化，通過適當組合具有不同功能的混凝土，也可有效提升結構的使用性能.

圖6 膨脹加強帶補償收縮應力原理圖[27]Fig.6 The principle diagram of the expansionreinforcing band

2.3.2組合混凝土框架結構

在結構層次上選取合適的預制構件，并通過各類節(jié)點將其沿高度方向組合，達到結構的最優(yōu)設計，同樣符合組合混凝土結構的概念.余江滔等[28]進行了組合混凝土框架的嘗試，并采用自主研發(fā)的超高延性水泥基復合材料(ultra-high ductility cementitious composites，UHDCC)完成了無筋建造.組合混凝土框架模型如圖7a所示，主要特點如下：

(1)利用UHDCC優(yōu)異的拉伸延性和耗能能力提升關鍵部位的抗震性能.在框架制作中采用UHDCC澆筑框架的①區(qū)域(包括底層柱腳和一層框架節(jié)點區(qū)域)，即地震易損部位.為了驗證無筋建造和組合混凝土結構的理念，①區(qū)域沒有配置縱向和橫向鋼筋.

(2)框架非關鍵部位采用普通鋼筋混凝土預制.圖7a中的②區(qū)域(主要包括二層梁、板和柱)為普通鋼筋混凝土構件，是組合混凝土框架的預制部分.

(3)采用工作性能良好的高強度聚合物砂漿完成預制拼裝.如圖7a所示，框架③(深色)部分為UHDCC構件與普通鋼筋混凝土構件的連接節(jié)點，通過高流動性聚合物砂漿實現(xiàn)二次澆筑和拼裝.

a超高延性水泥基組合混凝土框架b普通鋼筋混凝土框架(對比試件)

圖7組合混凝土框架的振動臺試驗[28]

Fig.7Shakingtabletestsofthecomposite

concreteframestructures

除UHDCC組合混凝土框架外，還制作了一個幾何尺寸完全相同的鋼筋混凝土框架試件(圖7b).兩個框架均按設防烈度7度(0.15g)、丙類混凝土框架進行設計，并進行了3種地震波、7度多遇(0.105g)到9度罕遇(1.178g)的模擬地震振動臺試驗.在7度地震作用下，組合混凝土框架的層間位移角(除7度(0.15g)罕遇上海人工波2工況)均小于普通混凝土框架.在7度(0.15g)多遇地震動激勵下，UHDCC組合混凝土框架的層間位移角滿足1/550的要求，而在7度(0.15g)罕遇地震動激勵下，UHDCC組合混凝土框架的層間位移角滿足1/50的要求.此外，UHDCC組合混凝土框架經受了8度(0.2g)罕遇、8度(0.3g)罕遇和9度罕遇的地震考驗.結束試驗時，一層樓面和二層樓面的殘余層間位移角分別為1/299和1/282.試驗結果說明，在結構層面上適當?shù)亟M合不同性能的梁、板、柱、節(jié)點等構件可獲得良好的整體結構性能，證明了組合混凝土結構的整體安全性.

3 組合混凝土結構問題與趨勢

3.1 組合混凝土結構設計

(1)界面設計

由于組合混凝土結構是各種水泥基材料的組合，因此界面是設計的關鍵問題.過去在混凝土結構設計中，新老混凝土界面僅作為構造處理，而在組合混凝土結構中，由于需要保證構件的整體性，其設計的重要性頗為顯著.在設計時就要考慮不同混凝土間的界面結構、形成過程以及不同混凝土間界面的處理方式.在組合混凝土結構的界面設計中，建議也采用界面的外部受力作用(S)不大于界面本身的抗力作用(R)的計算理論以達到定量的設計，即S≤R.

可以借鑒新老混凝土界面的研究成果[29]，提高組合混凝土結構的界面性能.一般來講，界面粗糙度越大，新舊混凝土黏結強度越高，但是也有試驗表明過大的粗糙度并不能獲得較高的黏結剪切強度.因此，需要定量評估黏結粗糙度[30]和采用膨漿界面劑和聚合物界面劑等[31].采用特殊構造的鋼筋(或復合材料筋)連接也可以有效地加強不同混凝土間的作用.不同混凝土間界面的受力示意圖如圖8所示，影響界面的外部受力作用S特征參數(shù)包括，界面的壓應力、界面的剪應力以及界面的形狀等，其作用可以通過計算得來；界面本身的抗力作用R的影響因素包括，界面兩側混凝土的基本性質，不同混凝土黏結時水化機理，界面粗糙度，界面劑的使用情況以及界面處的配筋情況等，其作用與施工方法和材料性質相關，工程設計時的抗力量化也還存在一定困難.從目前的研究成果來看，其基礎理論研究還有待深入，需進行后續(xù)深入的試驗與分析，以明確組合混凝土結構界面受力和劣化機理.

圖8 混凝土-混凝土界面分析示意圖Fig.8 Schematic diagram of concrete-to- concrete interfaces

(2)計算方法

普通混凝土結構在截面上、構件上可看作均勻單一的材料，因此可以采用結構力學、材料力學以及混凝土結構理論進行設計.而組合混凝土結構由于在各層次(材料、構件、結構)上進行了組合，材料的參數(shù)均有較為顯著的不同，需要重新建立本構關系，并對計算方法進行改進.可以運用彈塑性力學的理論，通過有限元等方法進行計算設計.基于柔度法且沿單元長度積分的彈塑性纖維單元[32]，可以模擬截面特性復雜、參數(shù)沿縱向連續(xù)變化的構件，可作為組合混凝土結構設計的一種方法；不同混凝土間界面的模擬也是計算分析的關鍵問題.目前各常用的設計軟件，如PKPM等，在參數(shù)輸入上設置較為單一，材料的組合無法表達和體現(xiàn).因此為推廣組合混凝土結構的設計，如何將此計算部分合理簡化并準確應用也是后續(xù)研究的方向.

(3)設計理念

組合混凝土結構的設計理念是一種精細化、一體化的設計過程，需要考慮力學性能的設計與使用功能結合，做到結構-功能一體化設計；在設計時，同時需要考慮施工的過程，相對于一般的混凝土結構，組合混凝土結構的施工過程對組合構件、結構的力學性能有更大的影響，尤其對不同混凝土間的界面形成有著直接影響，因而設計時也需要做到設計-施工一體化設計.因此，組合混凝土結構設計需要建立一套新的設計體系，可以結合BIM(building information modle)[33]等新型技術，符合可持續(xù)性設計的新要求.

3.2 組合混凝土結構施工

傳統(tǒng)現(xiàn)澆式施工方式中的新老混凝土澆筑以及高低強混凝土的組合，已經包含了組合混凝土結構的雛形.預制裝配式的施工方式，為組合混凝土結構的施工提供了便利，預制混凝土構件間的連接形式、構造細節(jié)以及施工方式可直接應用在組合混凝土結構中，相對于鋼-混凝土以及FRP-混凝土組合構件間復雜的節(jié)點型式，其施工更為簡便.同時，隨著新型施工技術發(fā)展，組合混凝土結構的形式將會更加優(yōu)化.近年來誕生了一系列新型的施工技術，包括有3D打印施工技術和可拆裝施工技術等.

3D打印技術，是一種增材建造技術[34]，它通過將材料逐層疊加的方式完成實體部件的制造，如圖9和圖10所示.與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(減材制造)不同，3D打印沒有剪裁過程，因此不會產生邊角料，從而使原材料的使用率增加.目前運用較多的方法為擠壓法以及鋪層法，前者是利用機械噴嘴將“油墨”材料擠壓噴出，循環(huán)往復成型；后者則是將“油墨”材料一層一層地堆疊成型.隨著超高延性水泥基材料的出現(xiàn)，無筋建筑的3D打印成為了可能.3D打印這種新型的施工方式可以有效地解決組合混凝土結構施工難的問題，運用不同的“油墨”材料，即不同種類的混凝土，可以很容易的形成組合混凝土結構在材料以及構件層次上的組合.

圖9 建筑墻體外輪廓的3D打印過程[34]Fig.9 The process of 3D-printing the outercontour of walls

圖10 3D打印輪廓內配筋[34]Fig.10 The reinforcements in 3D-printing

另外，可拆裝技術[35-36]是將可拆裝設計(Design for Deconstruction，DfD)的概念引入混凝土中，這樣在混凝土構件需要拆除時，可以將可拆裝構件再次運用到新建建筑中，從而賦予混凝土構件的二次生命.這種方式，在結構設計時就考慮到拆卸和再安裝過程，由于可拆裝技術拆卸時效率高，構件的利用率高，因此是對預制裝配式施工方式的進一步提升.利用這種可拆裝結構思想，可以形成組合混凝土結構在結構層次上的組合，并能提高混凝土結構的可持續(xù)性.

3.3 組合混凝土結構可持續(xù)性評價

對于混凝土結構的可持續(xù)性定義，肖建莊[37]認為：混凝土結構可持續(xù)性是指在從混凝土材料開采與運輸、混凝土結構設計與建造、混凝土結構使用與維護一直到混凝土結構拆除與資源化的生命周期內，混凝土結構在滿足安全性和適用性的前提下，具備資源消耗最小、環(huán)境影響最低、經濟和社會因素相協(xié)調的總能力.

組合混凝土結構在其材料設計、構件設計、結構設計以及施工上，均是對混凝土的優(yōu)化處理，其概念完全符合混凝土結構可持續(xù)性的要求，可持續(xù)性評價主要包括以下幾點：

(1)組合混凝土結構的結構性能評價.根據(jù)前述的一些組合混凝土結構的原理及案例分析，經過合理的設計以及施工，可以達到現(xiàn)行混凝土結構的標準，并能得到優(yōu)化的效果.

(2)組合混凝土結構的生態(tài)環(huán)境評價.組合混凝土結構，在材料使用方面，可以根據(jù)需求廣泛地應用再生材料技術(再生混凝土、再生纖維等)以及綠色環(huán)保的材料(地聚合物、海水、海砂等)；在施工方面，預制裝配式施工等新型的施工工藝，對環(huán)境負荷小，結合可拆裝技術，還能使構件循環(huán)使用.

(3)組合混凝土結構的經濟效能評價.組合混凝土結構在材料方面，可以更容易地做到就地取材，減小運費；在施工方面，相對于一般混凝土結構可以縮短工期，減少模板、腳手架等措施費，均表現(xiàn)出良好的經濟效益.

綜合上述結構、環(huán)境、經濟上的評價，組合混凝土結構相對于一般混凝土結構，具有更好的可持續(xù)性，其具體分析還需結合結構生命周期LCA(life cycle assessment)、LCC(life cycle cost)等方法[38-39]，對混凝土結構的可持續(xù)性進行更為具體地評價.

4 結論

(1)組合混凝土結構的基本思想，可以通過在不同的層次上(材料、構件、結構)組合不同種類的混凝土加以實現(xiàn)，是混凝土材料與結構發(fā)展的一次新飛躍.

(2)利用組合混凝土結構的概念和原理，對新混凝土材料與結構進行優(yōu)化設計，對舊混凝土材料與結構加固增強，對施工技術進行創(chuàng)新，從而使混凝土結構性能提升，滿足安全性、適用性、耐久性，實現(xiàn)可持續(xù)性.

(3)不同類型混凝土結合界面的形成機制、損傷機理與受力過程規(guī)律以及組合混凝土結構界面的設計與施工方法，將是今后研究的重點.

(4)梯度化以及仿生設計等新穎的方法也可為組合混凝土結構的設計開拓思路.在再生混凝土材料與結構的基礎上，組合混凝土結構將會成為實現(xiàn)混凝土結構可持續(xù)發(fā)展的又一重要途徑.

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