新型HRB635級高強鋼筋在混凝土軸壓短柱中的強度匹配問題研究

王靜峰， 李志鵬

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著世界鐵礦石資源日益緊張，高強及超高強鋼材在建筑工程上的發(fā)展和應用在提高資源利用效率、推動建筑節(jié)能環(huán)保上具有重大意義[1]。歐美發(fā)達國家對500～700 MPa級鋼筋的使用率已達95%以上，并且對配置700 MPa及以上強度鋼筋的構件及體系進行了大量的實驗研究。相比之下，目前我國《混凝土結構設計規(guī)范》[2](GB 50010-2010)僅規(guī)定了HRB500級高強鋼筋，尚未提及HRB600級高強鋼筋。2018年，我國發(fā)布的《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[3]中僅新增了HRB600級高強鋼筋的部分應用規(guī)定，但對其在實際混凝土結構中應用的規(guī)定及較少，這在一定程度上限制了強度在600 MPa級以上的高強鋼筋的推廣和應用[4，5]。因此，本文基于安徽省某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)的一種采用熱軋工藝微合金化的新型HRB635級高強建筑鋼筋產(chǎn)品，開展了對此新型HRB635級高強鋼筋與不同強度混凝土在軸壓短柱中的匹配性[6]問題的研究，旨在為新型HRB635級高強鋼筋在安徽省乃至全國實際工程中的設計和應用提供科學依據(jù)。

1 試驗設計

試驗共設計了6根軸心受壓混凝土試件，考慮到結構實驗室設備及場地條件的限制，本文中配置HRB635級高強鋼筋混凝土軸壓短柱的截面尺寸和高度是依據(jù)實際工程項目的1∶2比例縮尺進行選取。試件截面尺寸為250 mm×250 mm，高度均為750 mm，混凝土保護層厚度取25 mm，試件幾何尺寸與信息如圖1和表1所示。

圖1 軸壓短柱試件示意圖

表1 試件信息表

本試驗設計了C30、C50和C60共3個強度等級的混凝土，其中C30、C50為商品混凝土，C60強度等級的混凝土為實驗室自配。在試件澆筑同時，對各強度等級混凝土預留同批次立方體與圓柱體試塊，并與試件同條件養(yǎng)護28 d后，測試其力學性能指標，具體見表2。

試驗中鋼筋混凝土軸壓短柱的縱筋均為HRB635級高強鋼筋(公稱直徑均為14 mm)，箍筋分為HRB635級和HRB400級鋼筋(公稱直徑均為8 mm)。通過對試驗同批次鋼筋進行拉伸性能試驗，得到其材料性能試驗結果，見表3。

表2 混凝土力學性能指標

表3 鋼筋材性試驗結果

試驗的加載通過某學校實驗室的數(shù)控壓力試驗機完成。加載前必須進行預加載，加載至承載力估算值的15%左右，在檢查各個儀器是否工作正常的同時，及時調(diào)整試件位置，避免試件承受偏心力。卸載后，間隔數(shù)分鐘后正式進行加載。①加載至估算的峰值荷載的50%前，每級荷載為100 kN，持荷時間為60 s，后進行下一級加載；②達到估算的承載力的50%后，每級荷載改為50 kN，增加持荷時間為120 s，確保構件能夠均勻且穩(wěn)定的加載；③當構件達到峰值荷載之后，加載制度仍然保持不變，直至構件承載力下降至峰值荷載的85%左右，或者試件形變較大時，此時試驗開始采用位移加載制度，每級加載1～3 mm，實時采集荷載-位移曲線，進而獲得試驗下降段。當試件荷載下降至峰值荷載的50%或者短柱受損變形嚴重，認定構件破壞，加載停止,試驗結束。

通過多功能靜態(tài)應變測試儀來采集試驗所得應變片和位移計的讀值，前兩個階段的數(shù)據(jù)采集頻率與每級荷載相對應，第三階段時，由于試件的破損變形導致加載時間有限，所以設置為每隔3秒自動連續(xù)采集，直至試驗結束，此方法便于數(shù)據(jù)的后期處理。

2 試驗結果

2.1 破壞模式

隨著荷載的不斷增加，試件表面出現(xiàn)少量豎向裂縫，并不斷發(fā)展，在達到極限荷載后，鋼筋和混凝土的應變較大，試件中部混凝土被壓碎，保護層泛皮、外鼓，高強鋼筋基本屈服。之后荷載進入下降階段，核心區(qū)混凝土從試件中部剝落，縱向鋼筋被壓屈外凸類似于燈籠狀。

破壞始于試件中部，核心混凝土和高強度鋼筋所承受的荷載持續(xù)增長，縱向高強鋼筋達到屈服;隨試件變形的明顯加劇，混凝土被壓碎，荷載下降，試件中部橫向鋼筋達到屈服，最后導致試件破壞，試驗結束。

其破壞模式與配置普通熱軋鋼筋的軸壓鋼筋混凝土短柱類似，具體如圖2所示。

圖2 典型破壞模式

2.2 荷載-位移曲線

加載過程中實測各個試件的荷載-位移曲線，如圖3所示。圖3中橫坐標表示試件的軸向變形(Δ)，縱坐標表示試件的軸向承載力(N)。

從圖3中可以看出,混凝土強度等級對短柱極限承載力和彈性剛度的影響非常顯著。試件HAC-4-A3比試件HAC-4-A1和HAC-4-A2的峰值承載力分別提高了13%和74%，試件HAC-4-A6比試件HAC-4-A4和HAC-4-A5的峰值承載力分別提高了13%和75%,可知當混凝土強度等級小于C50時，由于高強鋼筋的強度得不到充分發(fā)揮，破壞比較突然，導致其與高等級混凝土相比峰值承載力和抵抗變形能力差距明顯。但隨著混凝土強度的逐漸提高，C50及以上試件的峰值承載力之間的差距趨于正常。而在軸心受壓短柱的延性上，隨混凝土強度的提高，荷載-位移曲線在達到峰值之后陡然下降，而下降段越陡峭表明構件后期延性越差，符合混凝土強度越高延性越差的基本規(guī)律。

圖3 荷載-豎向位移曲線

2.3 荷載-混凝土應變曲線

圖4為混凝土強度等級對配置HRB635 級高強鋼筋約束混凝土軸心受壓短柱的荷載-混凝土應變曲線的影響。

圖4 荷載-混凝土應變曲線

從圖4中可以看出，混凝土的峰值應力壓應變均隨混凝土強度的提升而增大。軸心受壓短柱配置C30強度的混凝土時，高強鋼筋與混凝土二者共同變形，共同受力性能較差，破壞發(fā)生比較突然，配置HRB635 級高強鋼筋約束混凝土短柱的應變基本小于0.002，短柱的破壞形態(tài)與不配筋的素混凝土柱比較類似，此時高強度縱向鋼筋達不到屈服強度，其強度得不到充分發(fā)揮，也就說明高強鋼筋應該匹配強度等級更高的混凝土。當混凝土強度達到C50以上時，配置HRB635 級高強鋼筋約束混凝土短柱的峰值應變明顯增加，超過0.003，配置HRB635 級高強鋼筋約束混凝土短柱的抗壓強度能得到充分的發(fā)揮，構件中配置高等級混凝土為高強鋼筋強度的發(fā)揮創(chuàng)造了有力條件。

2.4 荷載-縱筋應變曲線

試驗研究了配置HRB635 級高強鋼筋混凝土短柱的軸向荷載與試件中間區(qū)段縱筋豎向應變的相關關系，荷載-縱筋應變曲線如圖5所示。

圖5 荷載-縱筋應變曲線

由圖5可知，在加載初期，鋼筋與混凝土協(xié)同受力工作，荷載和鋼筋的應變的增長與荷載和混凝土應變的增長相似都呈線性變化關系，加載至極限荷載70%～80%時，伴隨著荷載-縱筋應變曲線的斜率減小，說明鋼筋脫離彈性階段進入塑性階段。軸心受壓試件達到峰值應力時，除了試件HAC-4-A1和HAC-6-A4外，其余試件的縱筋峰值應變都很大，高強鋼筋強度都得到充分發(fā)揮，鋼筋的壓應變基本達到并超過規(guī)范規(guī)定的混凝土的極限壓應變0.0033，有的甚至超過0.005。如圖5所示，由于混凝土強度等級太低，試件HAC-4-A1和HAC-6-A4直至被壓潰至破壞時，鋼筋的壓應變都在0.0022以下，鋼筋沒有屈服表明其強度未得到充分發(fā)揮，由此可知高強混凝土為使軸心受壓短柱中配置的HRB635級高強鋼筋的強度得到充分發(fā)揮創(chuàng)造了有利條件。

2.5 延性

位移延性系數(shù)是衡量構件塑性變形能力的重要指標，延性系數(shù)[7]的定義如式(1)所示。

μ=Δ85Δy

(1)

由于構件沒有明顯的屈服點，采用“通用屈服彎矩法”求得屈服點[8-10]，軸壓短柱計算結果見表4。

表4 軸壓短柱試驗結果表

由表4可知，配置HRB635級高強鋼筋與不同混凝土強度的軸壓短柱的延性系數(shù)在2.147到2.727之間，表現(xiàn)出良好的延性。隨著混凝土強度等級提升時，試件的位移延性系數(shù)逐漸降低，構件脆性越來越明顯。受壓短柱的延性雖相對較差，但都在合理范圍內(nèi)。

3 結 論

本文主要介紹了6根配置新型HRB635級高強鋼筋的混凝土軸壓短柱的軸壓性能試驗，揭示了其典型破壞模式、荷載-位移曲線和荷載-應變響應等發(fā)展規(guī)律，通過在不同強度等級的混凝土中配置新型HRB635級高強鋼筋，對高強鋼筋的強度能否充分發(fā)揮進行研究，得到了如下結論：

(1)配置新型HRB635級高強鋼筋的混凝土軸壓短柱的主要破壞模式為試件中部混凝土受壓破碎，中部鋼筋籠呈燈籠狀鼓曲破壞。

(2)通過對試件的荷載-位移曲線和荷載-應變響應分析可知，HRB635級高強鋼筋應該匹配高強度混凝土，混凝土強度達到C50及以上時，高強鋼筋與混凝土的協(xié)同受力工作性能較好，在試件達到峰值荷載時，高強鋼筋基本接近或達到屈服強度，其材料強度得以充分發(fā)揮。

(3)通過對試件的延性分析可知，配置HRB635級高強鋼筋與不同混凝土強度的軸壓短柱的延性系數(shù)在2.147到2.727之間，表現(xiàn)出良好的延性。隨著混凝土強度等級提升，試件的位移延性系數(shù)逐漸降低，構件脆性越來越明顯。因此，后期應用HRB635高強鋼筋時，可適當考慮匹配高強度、高延性混凝土材料。