摘要：混凝土及钢材作为建材中的主导门类，其应用十分广泛。
随着现代建筑对结构强度的要求逐渐增大，传统混凝土的弊端就逐渐暴露出来：例如用量大从而导致体积安定性差，对环境的危害较大，耐久性、耐磨性、抗渗性、抗冻性等都无法满足施工要求。
为了满足现代建筑需求，便衍生出了高性能高强度混凝土来取代传统混凝土。
同时为适配结构强度的钢材也向高性能高强度发展。
本文将简要介绍高性能混凝土及钢材的可持续发展性及其在结构方面的优越性，并对其混合结构做出大胆展望。
关键词：高强高性能混凝土，高强高性能钢材，绿色可持续发展，结构应用
1.引言
工程结构材料的发展是工程结构技术发展的基础。
混凝土及钢材中的氧硅铝铁钙等地壳中最为丰富的元素作为土木类大型工程的结构基础是必然的，至少在目前和相当一段长的时间内钢筋混凝土仍是主要材料。
因此，对混凝土及钢材的性能优化是工程结构材料发展的主要方向。
本文将对结构及其性能作出简要的讨论。
2.高性能混凝土和高性能钢材的现状及其发展
2.1高性能混凝土
高强高性能混凝土具有强度高、弹性模量高、耐久性好、耐磨性强、抗冻性好，并具有流动性好、可泵型好、低坍落度损失等良好的施工性能。
推进和推广应用高强高性能混凝土，可减小结构构件尺寸，减轻结构自重，对发展高层及超高层建筑具有重要意义，并可显著提高混凝土结构的耐久性，具有长期综合经济性。
目前我国一般将C50以上的混凝土称为高强混凝土，C80以上的混凝土称为超高强混凝土。
高性能混凝土不单单是指拥有超高的强度，同时拥有绿色的设计理念，传统的设计方法是以承载力和强度为基础，而高性能特别强调了耐久性的问题。
仅能满足承载力的强度是不够的，必须要求混凝土有足够的使用寿命，尤其是恶劣条件下的使用寿命。
从高性能混凝土的含义与组成材料来看，相比传统混凝土已经具备了不少“绿色”
的要素。
“绿色高性能混凝土”作为更加具体，关于绿色的概念，是由已故中国工程院院士吴忠伟教授于1997年首次提出的，为混凝土今后的发展提供了明确方向。
高性能混凝土（HPC）、超高性能混凝土(RPC)、与普通混凝土(NC)，在原材料消耗上以及绿色程度上的不同可见下表：
由上表可轻易看出高强混凝土及超高强混凝土的可持续发展性能。
也正是由于高性能混凝土所具有的优异力学性能和良好的综合能力，国外发达国家早在上世纪90年代
我国目前也已对高性能混凝土进行积极研究，但缺乏系统研究，特别是在结构性能方面的研究十分缺乏，在工程中就更加少见，于发达国家具有一定的差距。
目前国内投入应用的建筑并不多，例如建于1998年的北京财税大楼首层柱，其强度达到了C110。
2.2高性能钢材
目前，高强高性能钢材的发展趋势主要有一下几点：
（1）高强度等级钢材和超厚板钢材，以满足建筑高层化和大跨度的发展需求；
（2）低屈强比钢和极低强度钢，以提高结构抗震性能；
（3）高效焊接钢，提高钢材焊接性能，尤其是提高大厚度钢板的焊接性能；
（4）耐火结构钢，提高钢结构耐火性能；
（5）耐候钢，提高钢结构的防腐涂层和耐久性能。
随着建筑结构高层化和大跨度的发展，高强度和大厚度钢板成为高性能钢材的首先发展目标。
我国现行的标准《低合金高强度结构钢》GB1591-94有五个强度等级，既Q259、Q345、Q390、Q420、Q460，目前建筑用钢主要为Q235和Q345（相当于490MPa级）。
除高强度和大厚度之外，高性能还体现在：低屈强比、低强度高延伸、高焊接性能等等。
其中与结构受力性能有关的是低屈强比和低强度高延伸钢材。
为增加钢材性能，往往采用合金法。
例如马氏体耐热钢，低碳Cr13型马氏体不锈钢有十分高的抗氧化性和耐蚀性，其在高温中的抗折性能的损失量较小，在火灾等紧急情况下有十分优良的安全性能，其抗锈蚀腐蚀能力也十分优秀。
早期采用钢筋的许多工程项目中，由于钢筋的耐久性能和使用寿命的问题，影响结构强度等，使得整个工程寿命降低，从而造成了大量没必要的资源消耗，高性能钢材有效地弥补了这一缺陷，显著提高了整体结构的耐久性能。
不难从其在结构中的作用看出其优越于普通钢材的可持续发展性能。
3.高性能混凝土及钢材应用设想
3.1高性能混凝土构件
高性能混凝土由于其优异的的力学性能，较为低价的成本。
是否可以在某些方面代替一些金属材料构件，下文将作出一些探讨。
如下图所示，在同等机构尺寸的条件下，将钢材质构件替换为高性能混凝土构件，下文将对其成本，强度等方面进行计算讨论。
取热轧H型钢(WH型号)进行对比。
对于混凝土材料的该种尺寸构件线密度明显小于同等情况下的钢材。
对于高性能混
混凝土构件在保证强度的条件下可以有效的减少结构自重。
鉴于混凝土属于脆性材料，其抗拉强度是比较低的，所以某些工程中可以考虑在某些受压部位用高性能混凝土构件来代替。
同时混凝土的成本较钢材更为低廉，且在护理得当的情况下使用寿命优于钢材，从可持续发展角度来考虑，混凝土构件是更加绿色的一种建筑材料。
3.2高性能混凝土-钢管结构
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成，且钢管及其核心混凝土能共同承受外载荷作用的结构构件，按截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和
多边形钢管混凝土等。
而本文所提出的高性能结构是用高性能混凝土及高性能钢材取代传统混凝土及钢材而设想的一种假设性结构。
设想若取代后，在相同的强度要求下，高性能结构是否可以在结构强度、使用寿命、占用空间等方面由于传统结构。
下文将作出简要讨论。
由于水平有限将仅讨论圆钢管结构。
现假设某钢管混凝土轴心受压，柱长6m，两端铰接，钢管为Φ299×10
当采用Q345钢（fs=310N/mm²），钢管内混凝土强度等级为C45（fc=21.1N/mm²）时计算该柱的受压承载力的设计值。
该柱上下端为铰接，柱的计算长度系数u=1.0，所以柱的计算长度为
L0=ul=1.0×6000=6000mm
因为L0/d=6000÷299=20.1>4，所以构件为长柱，折减系数φ
φ=1—0.115√（L0/d-4）=0.54
钢管截面面积As=9074.6 mm²
混凝土截面面积Ac=61105.2 mm²
套箍系数θ=fsAs/fcAc
当采用Q345钢（fs=310N/mm²），钢管内混凝土强度等级为C45（fc=21.1/mm²）时计算该柱的受压承载力的设计值。
θ=2.18
N=φfcAc (1+θ+√θ)=3242 KN
现假设利用高性能材料来替代传统材料，其截面尺寸As、Ac保持不变，采用新型高性能钢材（fs=1400N/mm²）混凝土等级采用C200（fc=94.7N/mm²）级别的高性能混凝土
其θ=2.036
N=φfcAc(1+θ+√θ)=13949 KN
由上式不难看出高性能材料在结构受力方面的优越性，其受压承载力设计值为普通材料的数倍以上。
因此在满足同等结构强度的两种材料体系中，高性能材料可以极大地减少占用空间。
其次，因为高性能混凝土的较大的弹性模量，其受压时有较小的应变，这决定在受压时混凝土可以更好的承载轴力，而钢管则主要承担水平载荷。
同时，由于高性能钢材优良的耐火性，耐候性和较低的屈强比，这使得高性能结构较普通结构有更优良的耐火性，耐腐蚀性和抗震性。
4.结语
现代建筑结构逐渐趋于高强低质化，这就要求有相应的材料来满足这一结构强度，因此材料的高性能化是材料发展的必然趋势。
本文简单的讨论了两种较为常见的新型材料及对其应用的大致猜想。
由于水平有限，在计算过程中可能存在疏漏或者错误。
不过对于其发展前景的肯定，这是毋庸置疑的。
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