CRB550級高強(qiáng)箍筋在梁構(gòu)件中應(yīng)用的可行性分析*

萬海濤， 汪一帆， 張瀚文， 楊 琳

(河南大學(xué) a. 土木建筑學(xué)院， b. 教育科學(xué)學(xué)院， 河南 開封 475001)

CRB550級高強(qiáng)箍筋在梁構(gòu)件中應(yīng)用的可行性分析*

萬海濤a， 汪一帆a， 張瀚文a， 楊 琳b

(河南大學(xué) a. 土木建筑學(xué)院， b. 教育科學(xué)學(xué)院， 河南 開封 475001)

CRB550鋼筋； 高強(qiáng)箍筋； 普通箍筋； 混凝土梁構(gòu)件； 低周往返加載試驗； 骨架曲線； 承載能力； 破壞形態(tài)

隨著我國正步入“十三五”計劃，國家預(yù)備進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，基礎(chǔ)建設(shè)的改革更是其中的重中之重.目前，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展比較迅速，由于城市建設(shè)用地有限，農(nóng)業(yè)耕地紅線不能退守，因此，在推進(jìn)城鎮(zhèn)化的過程中勢必會追求建筑層數(shù)的增加，而在我國高層建筑中均以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主.鋼材作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要材料之一，其需求量依然較大.國內(nèi)外有許多專家學(xué)者均對高強(qiáng)鋼筋進(jìn)行了抗震性能的研究，普遍認(rèn)為高強(qiáng)鋼筋在抗震中的應(yīng)用比普通鋼筋具有一定優(yōu)勢，無論在承載力還是在變形能力方面都符合抗震規(guī)范的要求.本文試驗是在一些研究的基礎(chǔ)上對配置CRB550級高強(qiáng)箍筋在梁構(gòu)件的應(yīng)用與推廣進(jìn)行了研究，通過采用較小直徑的高強(qiáng)鋼筋來代替較大直徑的普通鋼筋以實(shí)現(xiàn)減少鋼材的使用量，減弱對鋼材的需求量，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的.因此，應(yīng)該積極推行節(jié)省型高強(qiáng)度的建筑材料，打破傳統(tǒng)粗放型的材料使用模式.高強(qiáng)鋼筋是一種節(jié)能材料，尤其在高層建筑中的應(yīng)用最為明顯，推廣使用高強(qiáng)材料是推動可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的要求[1-2].

由HPB235級普通鋼筋經(jīng)過冷加工升級而制成的CRB550級高強(qiáng)鋼筋在強(qiáng)度和抗疲勞性能方面有較大提升，有超過60%的增加，而其他方面并沒有太大減弱.對于相同的使用能力，大大減少了材料的使用量，這無疑是對建筑高耗能材料應(yīng)用的優(yōu)化，對提倡“可持續(xù)性工程”的現(xiàn)代社會建設(shè)具有重要意義.現(xiàn)階段由于高層建筑的發(fā)展對混凝土提出了更高的要求，而相關(guān)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GBJ11-89)[3]頒布以來并沒有適時更新.為了適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需在高強(qiáng)材料方面也作出新的探索.

1 試驗概況及方案

1.1 混凝土梁構(gòu)件設(shè)計

表1 箍筋直徑Tab.1 Diameter of stirrup mm

注：φ代表HPB235鋼筋；φR代表CRB550鋼筋.

1.2 材料性能

針對梁試件的時效性進(jìn)行了試驗研究，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-92)[4]，試驗將梁構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值選為C30，澆制成150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，同時應(yīng)注意對混凝土取樣保留，保證試塊和樣品同等條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間從澆筑第二天算起在溫室中養(yǎng)護(hù)28 d，然后對立方體試塊進(jìn)行加壓試驗，測出試塊的抗壓強(qiáng)度，并做記錄.

表2 梁構(gòu)件參數(shù)
Tab.2 Parameters for beam members

梁號截面面積/mm2縱筋箍筋b?1?1250×4506?25?8@100b?1?2250×4506?25?R6 25@100b?2?1250×4506?25?10@100b?2?2250×4506?25?R7 75@100b?3?1250×4506?25?12@100b?3?2250×4506?25?R9 25@100b?4?1250×4504?20?10@100b?4?2250×4504?20?R7 75@100b?5?1250×45012?22?10@100b?5?2250×45012?22?R7 75@100b?6?1300×60010?20?8@100b?6?2300×60010?20?R6 25@100

本文試驗的主筋采用HPB335的二級鋼筋，箍筋選用HPB235的普通一級鋼筋和CRB550級高強(qiáng)鋼筋[5].依據(jù)相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各類型鋼筋需留一定量的根數(shù)和長度的試樣，在電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，每根同直徑鋼筋為一組，按照《金屬材料溫室拉伸試驗方法》試驗規(guī)程所述，開啟萬能試驗機(jī)，調(diào)整夾具，用萬能試驗機(jī)夾具的三分之二夾住試樣兩端，整個過程按恒荷加載，直至鋼筋拉斷，從而測出試驗鋼筋的抗拉強(qiáng)度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)提取保存.

1.3 構(gòu)件制作

梁構(gòu)件制作遵循現(xiàn)實(shí)中工地施工的方法和操作流程.由于實(shí)驗室場內(nèi)空間有限，操作人員會選擇在室外進(jìn)行一系列的施工工序，包括腳手架的搭設(shè)、模板的裝扣、鋼筋的綁扎和混凝土的澆筑等工作.為了使試件的一次性有效澆筑滿足要求，需在澆制的過程中謹(jǐn)慎控制試件的保護(hù)層厚度，以防止出現(xiàn)露筋情況.

1.4 加載方式

梁構(gòu)件試驗的水平加載采用單側(cè)伸縮式加載裝置，由MTS作動筒對固定試件施加水平力.加載裝置與電子顯示設(shè)備相連，并通過傳感器控制水平力的大小.加載裝置固定在反力墻上，通過連接件作用于試件上端部的中心線上，同時確保試件固定穩(wěn)當(dāng)和加載位置不偏移.加載裝置示意圖如圖1所示.

圖1 梁構(gòu)件加載裝置Fig.1 Loading device for beam members

本文試驗的加載方法采用《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[6]規(guī)定的偽靜力加載法，其加載控制階段分為荷載控制階段和變形控制階段.在試驗未屈服前采用荷載增量控制，15 kN為單位荷載增量.試驗構(gòu)件屈服時的水平位移為單位變形增量，變化趨勢如圖2所示，其中，F(xiàn)y為屈服時荷載，Uy為屈服時位移，構(gòu)件破壞可以用肉眼觀察到，當(dāng)裂縫明顯時或試驗構(gòu)件水平荷載下降到峰值的85%時停止試驗.

圖2 構(gòu)件加載形式Fig.2 Loading form for members

1.5 數(shù)據(jù)測量

數(shù)據(jù)的來源主要通過位移計來測量，在測量的過程中，需注意試件的變形情況和裂縫分布情況.測量試件相關(guān)荷載數(shù)據(jù)和試件在外部受力和內(nèi)部應(yīng)力變形作用下的應(yīng)變值、水平位移值以及應(yīng)力與上端部的幾何關(guān)系曲線.為了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測點(diǎn)的分布應(yīng)在有效位置布置.在試件上下表面和內(nèi)部主筋和箍筋上均應(yīng)布置位移計，用來測量構(gòu)件塑性鉸附近位移和轉(zhuǎn)角，同時也要保證基座不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動.因此，還需在基礎(chǔ)梁表面放置位移計，使整個系統(tǒng)保持一致性變形.

本文試驗數(shù)據(jù)是由DH3185靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7]自動采集相應(yīng)的位移和變形情況，同時，試驗負(fù)責(zé)人要通過筆記和照片的形式記錄試驗進(jìn)展和現(xiàn)象變化.收集完成后用辦公軟件OFFICE進(jìn)行數(shù)據(jù)整理.

2 試驗結(jié)果對比分析

2.1 不同組件骨架曲線對比分析

骨架曲線是指在低周往復(fù)荷載下滯回曲線峰值點(diǎn)的連接曲線，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析的主要依據(jù).本文僅選取三組代表性梁構(gòu)件進(jìn)行對比分析，可以直觀看出較小直徑的CRB550級高強(qiáng)箍筋和較大直徑的HPB235級普通箍筋的異同點(diǎn)，如圖3～5所示.

圖4 梁構(gòu)件b-2組骨架曲線Fig.4 Skeleton curves for beam members in b-2 group

圖5 梁構(gòu)件b-4組骨架曲線Fig.5 Skeleton curves for beam members in b-4 group

2.2 混凝土梁構(gòu)件破壞形態(tài)對比分析

試驗現(xiàn)象分析是研究梁構(gòu)件破壞形態(tài)的一個重要過程.由于試驗的試件較多，本文在此只選取一組梁構(gòu)件來描述試驗破壞現(xiàn)象，并進(jìn)行差異化分析，如圖6所示.

圖6 構(gòu)件b-4組破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of beam members in b-4 group

2.2.1 b-4-1構(gòu)件的試驗破壞現(xiàn)象描述

b-4-1梁構(gòu)件從開始受力至45 kN以后，梁構(gòu)件受力一側(cè)底部在150～300 mm的區(qū)域出現(xiàn)一條較寬的裂縫，裂縫從左到右逐漸變窄，并有沿著斜向基礎(chǔ)梁部分延伸的趨勢，如圖6a所示.當(dāng)水平力達(dá)到60 kN時，原先出現(xiàn)的裂縫不斷擴(kuò)展，此刻構(gòu)件底部的縱筋出現(xiàn)屈服，即在加荷較小的情況下，位移的增長速度較快.此外，在梁上端部水平位移達(dá)到18.8 mm時，梁構(gòu)件底部的主裂縫沿斜向發(fā)展，伴隨著水平位移逐步增大，裂縫逐漸有貫通趨勢.當(dāng)水平位移達(dá)到37.6 mm時，構(gòu)件底部裂縫貫通且寬度較大.隨著荷載繼續(xù)增大，水平位移也隨之變大.當(dāng)水平位移達(dá)到56.0 mm時，受力一側(cè)底部的混凝土開始出現(xiàn)大塊剝落，隨后梁構(gòu)件受壓側(cè)底部的混凝土被迫擠落，構(gòu)件底部的縱筋外露，以后的往復(fù)循環(huán)加荷出現(xiàn)了主筋的屈服現(xiàn)象.當(dāng)水平位移達(dá)到78.2 mm時，梁構(gòu)件破壞處出現(xiàn)塑性鉸，之后混凝土大面積掉落，箍筋外露，該構(gòu)件的承重能力下降，承載力減弱.當(dāng)荷載加至第三個循環(huán)時，承載力已低于標(biāo)準(zhǔn)值的一半，b-4-1梁構(gòu)件已嚴(yán)重破壞，呈彎曲破壞狀態(tài).此后加載停止，試驗結(jié)束.

2.2.2 b-4-2構(gòu)件的試驗破壞現(xiàn)象描述

b-4-2梁構(gòu)件從剛開始受力至40 kN時，這段時間梁構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，沒有明顯變化.當(dāng)正向水平力達(dá)到40 kN之后，梁構(gòu)件在受力一側(cè)底部大致在200～400 mm之間的位置出現(xiàn)一條水平貫穿裂縫，如圖6b所示，并有沿著斜向基礎(chǔ)梁延伸的趨勢.當(dāng)水平荷載達(dá)到55 kN時，裂縫不斷變寬，在加荷不大時，位移會增大很快，則此時梁構(gòu)件處于屈服狀態(tài).此外，在梁頂部水平位移達(dá)到6.1 mm，構(gòu)件底部200和400 mm處水平裂縫沿斜向發(fā)展.水平位移隨受力時間的延續(xù)，構(gòu)件的變形也越來越明顯.當(dāng)位移達(dá)到11 mm時，構(gòu)件底部主裂縫處斜裂縫貫通且與基礎(chǔ)梁相交.當(dāng)水平位移達(dá)到61 mm時，受壓側(cè)底部的混凝土開始出現(xiàn)大塊剝落，主筋外露.當(dāng)水平位移達(dá)到80.1 mm時，梁構(gòu)件破壞處出現(xiàn)塑性鉸，之后混凝土大面積掉落，箍筋外露.構(gòu)件背面底部的混凝土已經(jīng)全部被壓酥且剝落，此時構(gòu)件底部膨脹散落，承重能力遠(yuǎn)不如初.當(dāng)試驗加載至第三個循環(huán)時，承載力已經(jīng)下降至極限值的60%左右，構(gòu)件處于彎曲破壞狀態(tài)，此后加載停止，試驗結(jié)束.

由圖6可知，b-4組構(gòu)件兩個梁構(gòu)件的變形和破壞過程極為相似，無論在彈性狀態(tài)還是在屈服狀態(tài)，水平變形的距離均較為接近，且最后兩構(gòu)件均發(fā)生了彎曲型破壞.由此可以得出，用較小直徑的CRB550級高強(qiáng)箍筋代替較大直徑的HPB235級普通箍筋作梁構(gòu)件的箍筋有較大可能性，不會出現(xiàn)較大失穩(wěn)的安全問題.

綜上所述，在梁構(gòu)件中配置較小直徑的CRB550級高強(qiáng)箍筋與較大直徑的HPB235級普通箍筋相比，在諸多性能方面較相近，其變形性能、承載力和破壞形態(tài)均相似.文獻(xiàn)[10]在其他性能指標(biāo)方面(如鋼筋應(yīng)變、能量耗散和剛度退化等)與本文試驗均表現(xiàn)出極大的一致性.

3 結(jié) 論

由試驗結(jié)果分析可知，較小直徑的CRB550級高強(qiáng)箍筋和較大直徑的HPB235級普通箍筋在梁構(gòu)件中的表現(xiàn)極為一致，在試驗進(jìn)行的各個階段以及繪制的曲線關(guān)系都具有較好的一致性.結(jié)合與本次試驗相關(guān)的文獻(xiàn)可知，采用這兩種箍筋的梁構(gòu)件在應(yīng)變能力、破壞形態(tài)、承載能力、剛度退化和能量耗散等性能方面均極為相似.因此，在梁構(gòu)件中應(yīng)用較小直徑的CRB550級高強(qiáng)箍筋代替較大直徑的HPB235級普通箍筋具有一定的可行性.這種新技術(shù)的應(yīng)用雖然在鋼筋加工上多了一道工序，卻在建筑物的抗震性能上有了更大地提升，同時也提升了建筑物的耐久性，最關(guān)鍵的是大大節(jié)約了鋼材在建筑中的使用量.從某種意義上講，減弱了建筑上鋼材的需求量，減少了冶煉鋼材的污染.此項技術(shù)的應(yīng)用推廣也是對當(dāng)今社會提倡“綠色工程”的響應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Feasibility analysis on CRB550 grade high-strength stirrup in beam members

WAN Hai-taoa, WANG Yi-fana, ZHANG Han-wena, YANG Linb

(a. School of Civil Engineering and Architecture， b. Institute of Educational Science, Henan University, Kaifeng 475001, China)

In order to prove the feasibility that the high-strength stirrup with smaller diameter can replace the ordinary stirrup with larger diameter in beam members, the concrete beam members with both CRB550 grade high strength stirrup and HPB235 grade ordinary stirrup were designed, and the low cyclic loading test was performed. Such performance indexes as the load-displacement skeleton curve, strain capacity, bearing capacity and failure mode were compared and analyzed. The results show that in the aspect of corresponding seismic performance, the concrete beam member with CRB550 grade high-strength stirrup is similar to the concrete beam member with HPB235 grade ordinary stirrup. The CRB550 grade high-strength stirrup has equivalent bearing and deformation capacity levels, and can satisfy the requirements in seismic performance.

CRB550 reinforcement; high-strength stirrup; ordinary stirrup; concrete beam member; low cyclic loading test; skeleton curve; bearing capacity; failure mode

2016-03-03.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408195).

萬海濤(1979-)，男，江西臨川人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震等方面的研究.

16∶08在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.026.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.22

TU 375

A

1000-1646(2017)01-0116-05