新Ⅲ級鋼筋動力性能及在抗爆結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用試驗(yàn)

高永紅，范俊奇，樓夢麟

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

400Mpa熱軋帶肋鋼筋（HRB400，也稱新Ⅲ級鋼筋［1］）是專門為建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用開發(fā)的新型鋼筋.資料表明［2-8］，新Ⅲ級鋼筋具有強(qiáng)度高、韌性好、焊接性能和抗震性能良好等優(yōu)點(diǎn).在歐洲等發(fā)達(dá)國家，新Ⅲ級鋼筋占建筑鋼材總量的70%以上［2］.我國原冶金部和建設(shè)部在1995年聯(lián)合發(fā)文推廣應(yīng)用，建設(shè)部早在1996年就將新Ⅲ級鋼筋技術(shù)納入國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ10—1989）》［2］.但由于宣傳、推廣力度不夠，設(shè)計(jì)部門對其應(yīng)用性能還有顧慮，施工和建設(shè)單位對其經(jīng)濟(jì)效益認(rèn)識不足，致使新Ⅲ級鋼筋性能研究不夠，在工程中的使用不充分.

材料抗動載性能是抗爆結(jié)構(gòu)動力分析和抗震設(shè)計(jì)的基本依據(jù)［9］.規(guī)范和有限資料［2-12］僅對新Ⅲ級鋼筋靜力性能進(jìn)行介紹，對動態(tài)行為研究不多.要在抗爆和抗震結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用，對其動態(tài)力學(xué)性能的研究十分必要.本文通過快速加載下新Ⅲ級鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載性能試驗(yàn)研究新Ⅲ級鋼筋的動力行為，對新Ⅲ級鋼筋應(yīng)用性能、綜合效益進(jìn)行分析、研究，為在抗爆和抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)用該材料提供了依據(jù).

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

（1）材料動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn).選用直徑為Ф14的新Ⅲ級鋼筋和普通Ⅱ級鋼筋，每種鋼筋制作4組試驗(yàn)構(gòu)件，其中1組做靜載試驗(yàn)，另3組做不同加載速率下的快速加載試驗(yàn).每組試件的數(shù)量均為5根，為了保證試驗(yàn)構(gòu)件的統(tǒng)一性，減小材料本身的影響，每種鋼筋的4組構(gòu)件均取自同一根鋼筋.

（2）新Ⅲ級鋼筋混凝土動態(tài)抗彎承載性能試驗(yàn).通過不同配筋率及混凝土強(qiáng)度的鋼筋混凝土梁的靜載及快速加載下的承載性能的比較研究新Ⅲ級鋼筋的使用性能.試驗(yàn)梁長、寬、高分別為1200，120，200mm.共設(shè)計(jì)了3種配筋率（0.47%，0.64%，1.28%）；2種混凝土強(qiáng)度（標(biāo)號為C30，C40），共10組梁，每組4根.每組取1根作靜載試驗(yàn)，其余3根作快速加載試驗(yàn).各組梁的主要參數(shù)見表1.

1.2 試驗(yàn)加載方案

對于新Ⅲ級鋼筋和Ⅲ級鋼筋混凝土分別采用KG-5型和KG-500型快速加載試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，加載試驗(yàn)機(jī)如圖1，主要技術(shù)指標(biāo)見表2.

根據(jù)規(guī)范要求［13］，對材料靜載試驗(yàn)采用的應(yīng)變速率取2.0×10-5s-1；動力性能試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3種應(yīng)變速率，分別約為1s-1，10s-1和66s-1.

表1 試驗(yàn)梁的材料參數(shù)Tab.1 test parameter of testing beams

圖1 試驗(yàn)采用的快速加載試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Rapid loading test machines

表2 試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Qualifications of test machines

抗彎試驗(yàn)采用兩端簡支、四點(diǎn)彎曲方式加載，純彎段長度0.3mm，構(gòu)件的加載方式如圖2，圖中P為外荷載，L為跨度.試驗(yàn)加載速率約為60s-1；試驗(yàn)同時(shí)對荷載、應(yīng)變值、跨中撓度及試驗(yàn)后裂縫的寬度和具體位置進(jìn)行測量.

圖2 抗彎試驗(yàn)加載方案示意Fig.2 Schematic sketch of beam test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 新Ⅲ級鋼筋動力性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得出新Ⅲ級鋼筋在靜載及快速變形下的性能變化規(guī)律與普通Ⅱ級鋼筋一致，即各試件都產(chǎn)生明顯縮頸現(xiàn)象，并最終都拉斷，且斷口形狀不變.圖3為靜載試驗(yàn)中鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖4為動載試驗(yàn)中鋼筋的典型應(yīng)力時(shí)程曲線［12］，每一曲線均為相同變形速率同組試件的平均值.由圖3、圖4可知，同普通Ⅱ級鋼筋一樣，新Ⅲ級鋼筋的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相同的特征，其曲線都包括彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮斷裂階段4個(gè)階段.

圖3 靜載條件下鋼筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve from static test

快速變形條件下新Ⅲ級鋼筋的抗拉屈服上限提高得較多，個(gè)別在靜載時(shí)沒有明顯屈服上限的構(gòu)件在快速變形下也明顯顯示了出來，但屈服上限的數(shù)值離散性較大，在實(shí)際應(yīng)用中意義不大，實(shí)際應(yīng)用中取屈服下限值來表示其屈服強(qiáng)度.表3中數(shù)據(jù)均為同組試件的平均值.

圖4 快速變形下鋼筋拉伸應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.4 Stress-time curve from rapid loading test

表3 鋼筋動力性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental result from test at different strain_rates

由表3可知：①新Ⅲ級鋼筋的屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度隨變形速率的增大而增大，但增大幅度不及普通Ⅱ級鋼筋.②在快速變形作用下，新Ⅲ級鋼筋的屈服強(qiáng)度比普通Ⅱ級鋼筋高31.18%，極限強(qiáng)度提高18.54%，截面收縮率基本不變，說明鋼筋的塑性基本保持不變.③與靜載相比，在動載作用下新Ⅲ級鋼筋的屈服強(qiáng)度有顯著提高，提高率為23.31%，略小于普通Ⅱ級鋼筋（提高率為31.5%）.

2.2 新Ⅲ級鋼筋混凝土梁抗彎性能分析

2.2.1 梁的破壞形態(tài)及分析

由圖5、圖6可知，同種類型的試件在快速加載下破壞特性與靜載較相似，但隨著配筋率及混凝土強(qiáng)度的改變其破壞形態(tài)差別較大.

（1）從初裂荷載及破壞后的裂縫數(shù)量看，在混凝土強(qiáng)度相同的情況下，隨著配筋率的增加，初裂荷載越高，破壞時(shí)裂縫的數(shù)目也較多，裂縫寬度越小.

（2）從破壞形態(tài)看，在正常配筋范圍內(nèi)，新Ⅲ級鋼筋混凝土梁的破壞狀態(tài)與普通鋼筋混凝土梁沒有明顯差別，大多數(shù)梁為延性破壞.

（3）當(dāng)混凝土強(qiáng)度相同時(shí)（C30），在配筋率較低（0.64%）的情況下，普通鋼筋混凝土梁（PL3組梁）的裂縫較少、寬度較大（圖6a），呈現(xiàn)少筋梁脆性破壞的特征，新Ⅲ級鋼筋混凝土梁（XL3組梁）破壞時(shí)裂縫數(shù)目較多，但裂縫寬度較?。▓D6b），呈現(xiàn)適筋梁塑性破壞的特征；在配筋率較高的情況下，普通鋼筋混凝土梁（PL5組梁）的裂縫數(shù)目較多，但裂縫寬度較?。▓D6c），呈現(xiàn)適筋梁破壞的特征；新Ⅲ級鋼筋混凝土梁（XL5組梁）試件破壞時(shí)裂縫較少、寬度較大（圖6d），呈現(xiàn)超筋梁的脆性剪壓破壞的特征.

2.2.2 快速加載下新Ⅲ級鋼筋混凝土梁抗彎性能

表4中數(shù)據(jù)為同組數(shù)據(jù)的平均值.可見，在快速加載條件下各組梁的抗彎承載力均有很大提高，且提高率隨配筋率的增加而增大，而延性比與靜載條件下基本相同，說明快速加載下梁的塑性并不降低.

對于合適的配筋率，新Ⅲ級鋼筋混凝土梁承載力提高率為20%～30%；普通Ⅱ級鋼筋混凝土梁承載力提高率大于30%.2種梁抗彎承載力的提高比值與鋼筋在快速加載下的強(qiáng)度提高基本相當(dāng).

2.2.3 2種鋼筋混凝土梁抗彎性能對比分析

表5中數(shù)據(jù)為同組數(shù)據(jù)的平均值.由表5可見，在快速加載條件下各組梁的抗彎承載力隨配筋率的增大而增大，延性比在不超過正常配筋率時(shí)隨配筋率的增大而增大，當(dāng)配筋率為1.28%時(shí)延性比隨配筋率的增大而減小.這是由于配筋率與混凝土強(qiáng)度不匹配造成的，當(dāng)配筋率較低時(shí)梁的破壞隨鋼筋屈服而破壞，當(dāng)配筋率過高時(shí)梁隨混凝土的破壞而破壞，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮承載力與延性比，選擇合適的配筋率，以便充分發(fā)揮各種材料的性能.

表4 梁抗彎試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results from beam tests

表5 快速加載下新Ⅲ級鋼筋與普通Ⅱ級鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of bending performance of new grade-3and ordinary grade-2reinforced concrete beams

新Ⅲ級鋼筋混凝土梁抗彎承載力比普通鋼筋混凝土梁有較大提高，提高率隨配筋率的增加而減小，由表5知，在相同混凝土強(qiáng)度的條件下（此處以C30進(jìn)行分析），當(dāng)配筋率較小時(shí)（0.47%），提高率為35.8%，其數(shù)值略高于鋼筋材料的提高值；當(dāng)配筋率較大時(shí)（1.28%），提高率僅為13.5%，其數(shù)值遠(yuǎn)小于鋼筋材料的提高值.其原因是由于配筋率與混凝土強(qiáng)度不匹配影響了梁的延性，沒有充分發(fā)揮各材料性能造成的.當(dāng)配筋率較合適時(shí)（0.64%），2種梁的破壞形態(tài)和延性基本相同，其強(qiáng)度的提高率為29.6%，與鋼筋材料的提高值基本相當(dāng).這些特征均與靜載條件下一致.唯一不同的是，提高值均較靜載時(shí)大，這說明新Ⅲ級鋼筋混凝土梁具有比普通鋼筋混凝土梁更好的動載性能.

從表5還可看出，混凝土強(qiáng)度相同、配筋率為0.47%的新Ⅲ級鋼筋混凝土梁的抗彎性能與配筋率為0.64%的普通Ⅱ級鋼筋混凝土梁的基本相同，這說明在結(jié)構(gòu)中合理采用新Ⅲ級鋼筋可節(jié)省約30%的鋼筋用量.

因此，為了充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋的優(yōu)良性能，保證鋼筋在達(dá)到屈服后有足夠的塑性變形能力，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，在設(shè)計(jì)中需要特別注意主筋配筋率與混凝土強(qiáng)度的匹配.當(dāng)配筋率相同時(shí)新Ⅲ級鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)采用更高強(qiáng)度的混凝土，混凝土強(qiáng)度相同時(shí)應(yīng)減小配筋率.

3 綜合效益分析

目前市場上新Ⅲ級鋼筋的價(jià)格僅比普通Ⅱ級鋼筋高5%左右，若配筋率匹配，在構(gòu)件截面、承載力不變的情況下使用新Ⅲ級鋼筋取代普通Ⅱ級鋼筋，依本文的研究結(jié)果配筋率可降低約30%，從而大幅節(jié)省現(xiàn)場施工中的運(yùn)輸量、場地占用量及施工工作量，能夠有效降低工程建設(shè)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯而易見.

新Ⅲ級鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在快速加載條件下承載力高、延性好，是抗震、抗爆結(jié)構(gòu)的理想材料.目前高強(qiáng)度混凝土、鋼纖維混凝土和高配筋率在防護(hù)結(jié)構(gòu)中往往配合使用，造成主筋密度大、空隙小，施工困難，而且質(zhì)量也不易保證.若采用新Ⅲ級鋼筋，可大幅降低配筋率，增大施工間隙，克服使用普通鋼筋多而密的缺點(diǎn)，為施工方便及施工質(zhì)量提供了保證.

4 結(jié)語

（1）在動載條件下新Ⅲ級鋼筋的屈服強(qiáng)度比普通Ⅱ級鋼筋高31.18%，極限強(qiáng)度提高18.54%，而塑性基本保持不變；與靜載相比，在動載作用下新Ⅲ級鋼筋的屈服強(qiáng)度有顯著提高，提高率為23.31%，略小于普通Ⅱ級鋼筋.

（2）無論對Ⅱ級鋼筋還是新Ⅲ級鋼筋，在快速加載條件下，都只有屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的提高，而塑性和彈性模量基本保持不變，因此快速加載下Ⅱ級鋼筋和新Ⅲ級鋼筋的本構(gòu)關(guān)系可采用靜載作用時(shí)的本構(gòu)關(guān)系，只需將其強(qiáng)度乘以快速加載下的動力提高系數(shù).

（3）動載條件下新Ⅲ級鋼筋混凝土梁的抗彎承載力有較大提高，提高率與鋼筋在快速加載下的強(qiáng)度提高相當(dāng)，同時(shí)不影響構(gòu)件的塑性性能和延性.因此在快速加載下Ⅱ級鋼筋和新Ⅲ級鋼筋混凝土構(gòu)件的截面抗彎承載力可按靜載作用時(shí)的公式計(jì)算，只需將其中的材料強(qiáng)度乘快速加載下的提高系數(shù).

（4）若配筋率與混凝土強(qiáng)度匹配良好，采用新Ⅲ級鋼筋的梁抗彎承載力比普通鋼筋混凝土梁有較大提高，其提高率與鋼筋材料的提高值基本相當(dāng)；構(gòu)件的延性與采用普通鋼筋的構(gòu)件相同，采用高強(qiáng)的新Ⅲ級鋼筋并不會降低構(gòu)件的塑性變形能力.

（5）在使用過程中應(yīng)注意配筋率與混凝土強(qiáng)度的匹配，相同配筋率的新Ⅲ級鋼筋采用高強(qiáng)混凝土；混凝土強(qiáng)度相同時(shí)應(yīng)降低配筋率.若仍采用傳統(tǒng)的普通鋼筋的設(shè)計(jì)習(xí)慣，不僅承載力提高不明顯，而且會造成結(jié)構(gòu)脆性破壞，造成嚴(yán)重的后果.

（6）在防護(hù)結(jié)構(gòu)中推廣新Ⅲ級鋼筋或更高強(qiáng)度的鋼筋、采用高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)混凝土、鋼纖維混凝土的配合使用將是今后防護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向.

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