配置高強非預應力鋼筋的預應力混凝土梁受彎試驗研究

李 強，馬燕豐

(1.唐山學院 土木工程學院，河北 唐山 063000；2.唐山市城市建筑工程總公司，河北 唐山 063000)

近些年，我國大力倡導和推進高強鋼筋應用于建筑工程。早在2012年，住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)的《關于加快應用高強鋼筋的指導意見》中明確提出，要積極推廣并使用500 MPa螺紋鋼筋，同時加強高強鋼筋混凝土結構構件抗震性能的研究，將開展600 MPa及以上螺紋鋼筋產(chǎn)品的研發(fā)列為重點工作[1]。HRB600鋼筋是采用微合金化工藝的一種新型高強度、高性能鋼筋，在有效提升混凝土結構的安全性、經(jīng)濟性和靈活性的同時，其結構在高應力狀態(tài)下的性能也引起了學者們的關注[2-4]，從而為HRB600鋼筋的工程應用提供了有力的理論依據(jù)和試驗基礎。筆者將對配置HRB600非預應力鋼筋的預應力混凝土梁進行受彎試驗。

1 試驗概況

1.1 構件設計

本試驗共設計了7根試驗梁，試驗梁的變量參數(shù)分別為非預應力鋼筋強度、HRB600鋼筋配筋率和混凝土強度等級。試驗梁橫截面均為矩形，截面尺寸為400 mm×500 mm。預應力筋為直線型布置，均采用有粘結后張法張拉[5]。試驗梁的具體尺寸及配筋詳見圖1，試驗梁的參數(shù)見表1，混凝土的實測材料性能指標見表2，非預應力鋼筋實測材料性能見表3。

圖1 試驗梁尺寸及配筋

構件編號梁長/mm截面尺寸/mm預應力筋②受拉鋼筋①架立筋④箍筋③混凝土強度等級L-15 100400×5003-1?S15.231821410C50L-25 100400×5003-1?S15.231821410C50L-35 100400×5003-1?S15.231821410C50L-45 100400×5003-1?S15.221821410C50L-55 100400×5003-1?S15.241821410C50L-65 100400×5003-1?S15.231821410C40L-75 100400×5003-1?S15.231821410C60

表2 混凝土實測材料性能 MPa

表3 非預應力鋼筋實測材料性能

1.2 加載方案

本試驗為靜載試驗，采用三分點對稱加載，加載方案包括預加載和正式加載兩個階段。預加載每級加載20 kN，共加載兩級；正式加載級距為20 kN，當總加載值接近特征荷載時，加載級距減半。當非預應力鋼筋屈服后，加載方式改為位移控制，加載級距為1 mm，當非預應力鋼筋應變達到約10 000 με或試驗梁跨中撓度達到其跨度的1/50時，宣告試驗梁破壞[1，6，7]。加載方式如圖2所示。

圖2 加載方式

2 試驗結果分析

2.1 混凝土應變分析

本試驗采用混凝土應變片采集試驗梁跨中側面混凝土應變情況，應變片粘貼位置見圖2，跨中截面混凝土應變分布如圖3所示。在試驗梁受力過程的初始階段，構件基本處于彈性階段，混凝土應變沿構件截面高度方向呈直線型分布，故符合平截面假定。隨著加載值增大，混凝土平均應變直線型分布雖有所折線化，但仍基本符合平截面假定?？傮w而言，配置HRB600非預應力鋼筋的預應力混凝土梁的跨中截面平均應變近似線性分布，符合平截面假定[7]。

(a)L-4 (b)L-5

(c)L-6 (d)L-7圖3 跨中截面混凝土應變分布

2.2 非預應力鋼筋應變分析

本試驗用應變片采集非預應力鋼筋在加載過程中的應變情況，應變片的粘貼位置在受拉鋼筋的跨中處。圖4為試驗梁荷載-非預應力鋼筋應變曲線，將圖4中(c)(d)與(a)(b)進行對比，不難發(fā)現(xiàn)HRB600鋼筋與HRB500，HRB400的受力特征相似，鋼筋應變發(fā)展均呈現(xiàn)出比較明顯的三階段增長規(guī)律：加載初期，鋼筋發(fā)生彈性變形，其應變曲線近似直線型，且增幅較小；加載中期，尤其是試驗梁開裂后，開裂處混凝土退出工作，非預應力鋼筋拉應力大幅增加，應變曲線斜率減??；加載后期，鋼筋在高應力狀態(tài)下發(fā)生屈服，其應變的增速再次加快，應變曲線斜率再次減小，隨著荷載進一步增加，試驗梁的受彎承載力基本處于滯漲狀態(tài)，而此時非預應力鋼筋應變急劇增大，直至接近或達到10 000 με，宣告試驗梁破壞。綜觀加載過程，HRB600鋼筋的三階段受力過程明顯，在HRB600鋼筋屈服后，其應變能夠繼續(xù)穩(wěn)定增長，這表明HRB600鋼筋的高強度和延性能夠得到充分發(fā)揮，從而試驗梁的受彎承載力得到了顯著提升。

(a)L-1 (b)L-2

(c)L-4 (d)L-5圖4 試驗梁荷載-非預應力鋼筋應變曲線

2.3 預應力損失分析

表4 預應力筋的有效預拉應力

3 撓度分析

3.1 短期撓度分析

影響高強鋼筋混凝土梁短期撓度的三個基本因素包括荷載、初始剛度和配筋率[9]。本文考慮到非預應力鋼筋和預應力筋的配筋率對試驗梁短期撓度的顯著影響，提出在現(xiàn)行《規(guī)范》短期抗彎剛度公式的基礎上引入綜合配筋率影響系數(shù)α(取值1.5)，從而對試驗梁的短期跨中撓度計算值進行修正。

Bs=

(1)

表5 試驗梁跨中撓度實測值與計算值對比

分析表5中的數(shù)據(jù)可知，試驗梁短期跨中撓度的試驗值與計算值的比值均值為0.971，變異系數(shù)為0.095；如果去掉偏差較大的試驗梁L-5的試驗數(shù)據(jù)再進行統(tǒng)計，比值為1.002，變異系數(shù)為0.057。由此可見，考慮到HRB600鋼筋和預應力筋對試驗梁抗彎剛度的提升作用，通過引入綜合配筋率影響系數(shù)對《規(guī)范》中的公式進行修正，進而使計算值與試驗值非常接近，可以提高短期跨中撓度的計算精度。

3.2 撓度限值分析

現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定預應力混凝土受彎構件的長期最大撓度值要滿足限值要求，試驗梁的荷載長期作用下的截面抗彎剛度計算公式為：

(2)

式中Mk，Mq分別為按照荷載的標準組合、準永久組合計算的最大彎矩(kN·m)，本試驗取Mk/Mq=1.143。

表6 試驗梁撓度限值分析

注：試驗梁的跨中撓度限值取flim=l0/200，即flim=24 mm

4 結論

本文通過對配置HRB600非預應力鋼筋的預應力混凝土梁進行受彎試驗，分析了混凝土和HRB600鋼筋的應變發(fā)展規(guī)律，提出了預應力筋預應力損失的計算建議，研究了試驗梁短期跨中撓度的計算方法，主要研究結論如下：

(1)試驗梁跨中截面混凝土的平均應變近似呈線性分布，符合平截面假定。綜觀整個受力過程中，HRB600鋼筋的荷載-應變曲線呈現(xiàn)出顯著的三階段增長規(guī)律，尤其在HRB600屈服后，其應變仍能夠穩(wěn)定增長，這表明HRB600鋼筋與預應力筋協(xié)同受力較好，HRB600鋼筋的高強度和延性得以充分發(fā)揮。

(2)預應力筋的各項預應力損失值宜按照現(xiàn)行《規(guī)范》公式進行計算，在計算預應力筋應力松弛損失值以及混凝土收縮和徐變引起的損失值時，通過引入時間影響系數(shù)，可以有效提高兩類損失值的計算準確性。

(3)在計算配置HRB600非預應力鋼筋的預應力混凝土梁的短期抗彎剛度時，要充分考慮HRB600鋼筋和預應力筋配筋率對抗彎剛度的貢獻，本文建議引入綜合配筋率影響系數(shù)以提高計算精度，試驗梁在正常使用極限荷載長期作用下的最大撓度符合限值要求。