HRB600级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究

陈安英, 邓 松, 高 鹏, 完海鹰, 朱 华, 刘西洋

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥工大共达工程检测试验有限公司,安徽 合肥 230009; 3.安徽寰宇建筑设计院,安徽 合肥 230012)

随着现代混凝土结构朝着大跨、高层、重载的方向发展,越来越多的工程采用高强高性能的材料[1-2]。相比于传统的HRB400级钢筋,HRB600级高强钢筋这种新型的建筑材料具有强度高、综合造价低及绿色环保等优点。但是在实际工程中,HRB600级高强钢筋并未得到广泛的应用,在行业整体内所占的比例并不是很高。这主要是由于文献[3]对HRB600级钢筋的设计参数未做规定,使得HRB600级钢筋混凝土结构设计理论不够成熟,在其推广应用过程中没有足够的理论依据。

目前对于配置HRB600级钢筋混凝土受弯构件的力学性能,已有一些试验研究。文献[4-6]对配置HRB600级钢筋混凝土梁受弯性能进行试验研究;文献[7-9]对配置HRB600级钢筋混凝土梁裂缝宽度进行试验研究;文献[10-12]对配置HRB600级钢筋混凝土梁的抗裂性能和变形性能进行试验研究;文献[13-14]对配置HRB600级钢筋混凝土梁的受弯及受剪性能进行试验研究。综合分析已有相关研究成果,对于配置HRB600级钢筋混凝土受弯构件的研究,主要集中在2%配筋率以下及跨高比小于9的试件,且对上部架立筋为HRB600级钢筋构件的研究报道很少,使得配置HRB600级钢筋混凝土受弯构件的试验资料缺乏完整性。

本文设计12根跨高比为9的高配筋率钢筋混凝土梁,且下部受拉钢筋和上部架立筋均采用HRB600级高强钢筋,结合试验现象及相关试验数据,对配置HRB600级钢筋混凝土梁的破坏形态、钢筋强度设计值取值、极限承载力、跨中挠度及裂缝宽度等开展研究,以期为HRB600级钢筋混凝土受弯构件的理论设计及工程应用提供一定的依据。

1.1 试件设计

试验共设计12根不同配筋率的HRB600级钢筋混凝土梁,其宽×高×长为250 mm×400 mm×4 000 mm,计算跨度l0=3 600 mm。设计混凝土等级为C50,保护层厚度为25 mm。纵向受拉钢筋采用HRB600级钢筋,直径有12、16、18、20、22、25 mm 6种;受压钢筋(架立筋)采用2根HRB600级钢筋,直径为12 mm;箍筋采用HRB400级钢筋,直径为10 mm。试件尺寸及配筋示意图如图1所示。图1中,As、As′分别为受拉区、受压区纵向钢筋的截面面积。试件编号、纵筋分布及配筋率见表1所列。

图1 试件尺寸及配筋示意图

表1 试件编号、纵筋分布及配筋率

1.2 材料力学性能

试验所用混凝土均为C50强度等级,试件浇筑时,每个试件预留3个边长为150 mm的标准立方体试块,制作完成后与浇筑好的试件在相同条件下养护。试验所用的钢筋型号主要为HRB600,在钢筋下料时不同直径的钢筋各预留3根长度为500 mm的试样。试验开始前对所预留的材料试样进行力学性能试验,钢筋的力学性能试验结果见表2所列。

表2 HRB600级钢筋力学性能试验结果

混凝土实测立方体抗压强度为59.98 MPa,轴心抗压强度换算值为38.83 MPa,轴心抗拉强度换算值为2.84 MPa,弹性模量为35.99 GPa。

1.3 试验加载及测量内容

试验采用三分点静力加载方式,保证在试验梁跨中部位形成1 200 mm纯弯段。试验加载装置示意图如图2所示,通过液压千斤顶进行加载,用简支分配梁将千斤顶的压力对称分配给试验梁,在千斤顶底面与分配梁之间安装压力传感器,记录荷载变化。试验梁支座采用简支形式,一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座。加载点、支座处均加垫钢板,防止加载过程中混凝土局部压坏。

图2 试验加载装置示意图

试验加载制度参考文献[15],正式加载前先预加载至梁计算开裂荷载的10%,检验支座是否平稳,仪表及加载设备是否正常,并对设备进行调零。加载前期按照开裂荷载计算值的20%进行分级加载,达到开裂荷载计算值80%后,按照开裂荷载计算值的5%进行加载;当试件开裂后,按照极限承载力计算值的10%进行分级加载(极限承载力根据试验材料强度实测值计算得到),达到极限承载力计算值90%后,按照极限承载力计算值的5%进行加载,直至试件破坏。每级荷载加载结束后持荷10 min,用于观察试验现象及数据记录。

钢筋的应变通过在受拉与受压钢筋的跨中及2个三分点位置处粘贴应变片来测量;试验梁开裂后,通过裂缝观测仪测量每级荷载下纵筋对应位置的裂缝宽度。试验梁钢筋应变片布置及裂缝测点位置如图3所示。图3中,as为受拉区纵向钢筋合力点至截面受拉区边缘的距离。

图3 试验测点布置

试验设计的12根HRB600级钢筋混凝土梁在加载过程中均出现适筋破坏特征,下面以最低配筋率试件(L1)和最高配筋率试件(L12)为代表,描述不同配筋率试件的试验现象。

(1)试件L1。试验先预加载(5 kN)检查各仪器是否正常工作,检查后卸载至0 kN,然后开始正式加载。加载初期,钢筋的应变很小,钢筋及混凝土应变增长较为稳定。当加载至57 kN时,在纯弯段左、右加载点处截面下部各出现1条裂缝,宽度均为0.02 mm,高度约50 mm。加载到106 kN时,纯弯段裂缝延伸高度均大于100 mm,最大延伸高度为158 mm,此时最大裂缝宽度为0.10 mm。加载到174 kN时,纯弯段裂缝高度发展迅速,最大延伸高度为198 mm,最大裂缝宽度达到0.20 mm。加载到250 kN时,纯弯段裂缝高度最大已达252 mm,部分新增裂缝高度均超过100 mm,此时最大裂缝宽度达到0.24 mm。加载到326 kN时,弯剪段开始出现斜裂缝,纯弯段最大裂缝宽度达到0.28 mm。加载到392 kN时,弯剪段斜裂缝迅速发展,纯弯段最大裂缝宽度已达到0.38 mm。加载到428 kN时,纯弯段裂缝高度基本保持不变,最大裂缝宽度迅速发展至0.48 mm,此时受拉钢筋屈服。随着荷载继续增加,试验梁最大裂缝宽度急剧发展,加载后期,荷载出现上下波动,荷载值难以增加,短暂的持续时间后,梁顶混凝土被压碎,试验梁破坏。整个加载过程经历较大的变形,破坏时最大裂缝宽度达到2.00 mm,破坏具有明显的预兆。试件L1的裂缝分布及破坏形态分别如图4、图5所示。

图4 试件L1破坏阶段裂缝分布情况

图5 试件L1破坏形态

(2)试件L12。试件L12的裂缝分布及破坏形态分别如图6、图7所示。

图6 试件L12破坏阶段裂缝分布情况

图7 试件L12破坏形态

试验首先预加载(7 kN)检查各仪器是否正常工作,检查后卸载至0 kN,然后开始正式加载。当加载到75 kN时,在纯弯段右加载点试验梁截面下部出现第1条裂缝,宽度为0.03 mm,高度为81 mm,梁开裂。加载到137 kN时,纯弯段裂缝高度延伸长度最大为223 mm,平均延伸高度将近1/2梁高,最大裂缝宽度为0.18 mm。加载到210 kN时,纯弯段裂缝高度发展很快,裂缝高度接近300 mm,最大裂缝宽度增大为0.20 mm。加载到270 kN时,裂缝高度变化不大,裂缝宽度发展迅速,最大裂缝宽度为0.28 mm。加载到333 kN时,纯弯段裂缝基本出齐,弯剪段裂缝开始斜向发展并不断延伸。加载到393 kN时,纯弯段裂缝高度基本保持稳定,最大裂缝宽度为0.30 mm。加载到528 kN时,最大裂缝宽度为0.40 mm,钢筋达到屈服应力。加载到588 kN时,纯弯段裂缝高度继续保持稳定,宽度保持不断增长,最大裂缝宽度为0.50 mm,弯剪段斜裂缝开展明显,已经延伸到支座处。随着荷载的继续增加,裂缝宽度急剧增大,而基本不向上发展,跨中挠度增加较快。加载后期,荷载出现上下波动现象,荷载值很难增加,试验梁跨中挠度急剧增加,伴随着“蹦”的一声,梁顶部混凝土被压碎,试验梁破坏。整个过程经历较大的变形,破坏时最大裂缝宽度达到2.30 mm,破坏具有明显的预兆。

分析试件L1、试件L12整个加载过程中的试验现象,高配筋率试件在加载初期裂缝宽度增大更加快速,加载后期,不论是高配筋率试件,还是低配筋率试件,裂缝宽度发展都很快,在裂缝宽度发展到限值0.30 mm时,所有试验梁的承载力发挥程度均不充分,建议规范[3]对配置HRB600级钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度限值适当放宽。

3.1 荷载-挠度曲线

12个试件的荷载-跨中挠度曲线如图8所示,挠度值为跨中位移计读数与2个支座位移计读数平均值之差。

由图8可知,配置HRB600级钢筋混凝土梁的变形呈现适筋梁典型的三阶段模式。

图8 12个试件的荷载-跨中挠度曲线

(1)弹性阶段。从开始加载至试验梁开裂前,试件的挠度增加较小,荷载-挠度曲线基本呈线性增加。

(2)带裂缝工作阶段。当荷载增加至开裂荷载时,试验梁纯弯段内出现1条或几条初始裂缝,荷载-挠度曲线斜率开始发生改变,试件刚度略微降低。随着荷载进一步增加,试验梁挠度稳定增长,直至纵向受力钢筋达到其屈服强度后,试件变形发生突增,荷载-挠度曲线上出现明显的拐点,曲线斜率变化较大,试件刚度降低明显。

(3)破坏阶段。当钢筋屈服后,荷载略微增加一段时间后基本保持不变,但试验梁挠度快速增加,中和轴位置快速上移,不久荷载出现上下波动现象,荷载值难以增加,随即伴随着清脆的“蹦”声,梁顶部混凝土被压碎,瞬时间梁挠度值急剧增加,荷载下降,试验梁失去稳定承载能力。

3.2 荷载-应变曲线

12个试件的荷载-钢筋应变曲线如图9所示,钢筋应变片位于试验梁纯弯段受拉纵筋上。由图9可知:在加载初期,HRB600级钢筋混凝土梁的钢筋应变较小,应变增长稳定,混凝土与钢筋共同受力;随着荷载增加,在试验梁的纯弯段首先出现裂缝,此时纯弯段区域抗拉承载力主要由受拉纵筋承担,钢筋应变明显增大,荷载-应变曲线斜率发生改变;此后继续加载,受拉钢筋应变不断增大,在约3 000×10-6时受拉钢筋屈服;之后随着荷载增加,荷载-应变曲线出现明显转折点,钢筋应变迅速增长;最终,随着荷载达到试验梁的极限承载力,受压区混凝土被压碎,试验梁破坏。试验梁在破坏前受拉钢筋均已屈服,发生适筋破坏。

图9 12个试件的荷载-钢筋应变曲线

3.3 截面应变分布

试验过程中通过混凝土应变片测得试件在不同级荷载作用下的截面应变发展规律,试件L1、L12跨中截面应变分布如图10所示。图10中,Mu为试件实测破坏弯矩。由图10可知,在正常使用阶段,配置HRB600级钢筋的混凝土梁在各级荷载作用下截面应变规律基本符合平截面假定。

图10 试件L1、L12跨中截面应变分布

4.1 钢筋强度设计值取值

试验过程中,通过应变片和采集仪获得12个试件破坏阶段的应变数据,见表3所列。

从表3可以看出,12个试件破坏阶段受拉钢筋的峰值应变范围为3 996×10-6～4 900×10-6,受压钢筋的峰值应变范围为2 549×10-6～2 818×10-6。

表3 12个试件实测应变数据 10-6

4.1.1 抗拉强度设计值

对于钢筋抗拉强度设计值,其为钢筋强度标准值除以材料的分项系数,按文献[3]取材料分项系数γs为1.15,则抗拉强度设计值fy=fyk/γs=521.70 MPa,可取抗拉强度设计值fy为520 MPa。

综合以上分析,对于配置HRB600级高强钢筋混凝土受弯构件,钢筋的屈服强度标准值可取为fyk=600 MPa,抗拉强度设计值可取为fy=520 MPa。

4.1.2 抗压强度设计值

由表3可知,12根试验梁的受压钢筋峰值应变平均值为2 675×10-6,标准差为82×10-6。钢筋的弹性模量为200 GPa,则受压钢筋的应力平均值为535 MPa,标准差为16.59 MPa。钢筋的抗压强度标准值fyk′=507.71 MPa,抗压强度设计值fy′=441.49 MPa,可取抗压强度设计值fy′=435 MPa。

4.2 极限承载力计算

配置HRB600级钢筋混凝土梁在整个受力过程中基本符合平截面假定,根据文献[3]给出的公式对试件的极限承载力进行计算,计算结果与实测结果对比见表4所列。

表4 12个试件极限承载力试验值与理论计算值对比

5.1 短期刚度计算公式适用性

试验过程中用电子位移计测量试件从开始加载至破坏整个受力过程的位移变化,并与基于文献[3]短期刚度公式得到的挠度计算值进行对比,其结果如图11所示,见表5所列。图11、表5中:ft为试件各级荷载作用下跨中挠度实测值;fs为基于文献[3]短期刚度公式得到的跨中挠度计算值。

从图11、表5可以看出,当荷载较小时,试验梁跨中挠度实测值偏小,随着荷载增大,试验梁跨中挠度实测值与计算值比值逐渐稳定,整个加载过程中ft/fs的平均值为0.925,变异系数平均值为0.099。

表5 12个试件ft/fs平均值与变异系数

图11 实测挠度值ft与文献[3]计算值fs比较曲线

从整体上看,对于配置HRB600级钢筋混凝土梁,基于文献[3]短期刚度公式得到的跨中挠度计算值与试验实测挠度值吻合良好。

5.2 短期工况下裂缝宽度计算公式适用性

对于短期荷载作用下受弯构件纵筋水平位置处裂缝宽度最大值wmax,文献[3]给出的计算公式为:

(1)

其中:wm为平均裂缝宽度;τs为短期裂缝宽度扩大系数;αc为裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数;σsq为受弯构件受拉区纵向钢筋的应力;ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数;cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离;Es为钢筋弹性模量;deq为受拉区纵向钢筋的等效直径;ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。

试验过程中通过裂缝观测仪测量每级荷载下受拉纵筋水平处截面裂缝宽度,并与按照文献[3]公式计算的最大裂缝宽度值进行比较,结果如图12所示。

图12 裂缝宽度实测值与文献[3]计算值比较曲线

从图12可以看出,在短期荷载作用下,配置HRB600级钢筋混凝土梁在不同等级荷载下,最大裂缝宽度实测值基本均比计算值大,特别是随着荷载增加,实测值大于计算值的程度越来越显著,当实测最大裂缝宽度大于0.30 mm后,实测值均大于计算值。研究结果说明,利用文献[3]计算配置HRB600级钢筋混凝土梁在短期荷载作用下的最大裂缝宽度时,计算公式需要进行调整。

5.3 短期工况下裂缝宽度计算公式修正

本文通过12根试验梁108个裂缝测点数据，得到短期荷载下最大裂缝宽度实测值与计算值的比值为1.197,变异系数为0.174。为保证文献[3]中计算公式的准确性和完整性,考虑直接对文献[3]中计算公式乘以最大裂缝宽度调整系数k。根据试件L1～L12的裂缝测点数据进行拟合分析,取k为1.15。

调整后短期荷载作用下的最大裂缝宽度计算公式为:

(2)

根据(2)式进行计算,将实测值与计算值进行对比,结果如图13所示。实测值与本文(2)式计算值比值的平均值为1.041,变异系数为0.142,计算值与试验数据吻合较好。

图13 裂缝宽度实测值与本文公式计算值比较曲线

本文通过研究12根配置HRB600级钢筋、C50混凝土梁的抗弯性能试验,结合试验现象及相关试验数据对试件的破坏形态、钢筋强度设计值取值、极限承载力、跨中挠度及裂缝宽度等开展讨论,主要结论如下:

(1)试验梁的受力过程主要分为3个阶段,即弹性阶段(初始裂缝出现前)、带裂缝工作阶段(初始裂缝出现至受拉钢筋屈服)、破坏阶段(受拉钢筋屈服至受压区混凝土被压碎)。试验结果表明,配置HRB600级高强钢筋混凝土梁的受力形态、破坏模式与普通钢筋混凝土梁相同,且梁跨中截面混凝土应变符合平截面假定。

(2)试验梁受拉钢筋的峰值应变范围为3 996×10-6～4 900×10-6,受压钢筋的峰值应变范围为2 549×10-6～2 818×10-6,结合钢筋的拉伸试验数据,本文建议对于受弯构件,HRB600级钢筋屈服强度标准值取600 MPa,抗拉强度设计值取520 MPa,抗压强度设计值取435 MPa。

(3)通过观测试验梁纯弯段跨中挠度的发展情况,并与基于文献[3]中短期刚度计算公式得到的理论挠度值进行对比分析,发现试验梁跨中挠度实测值与理论计算值吻合良好。

(4)利用文献[3]公式计算HRB600级钢筋混凝土梁的最大裂缝宽度,发现计算值比实测值小。基于文献[3]引入最大裂缝宽度调整系数k,直接在原公式基础上乘以最大裂缝宽度调整系数k;根据本次试验的裂缝测点数据进行拟合分析,取k为1.15,研究发现，调整后的计算值与试验值吻合较好。

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