配置500 MPa級(jí)鋼筋混凝土梁的抗彎延性分析

劉志彬， 曾志興， 劉祥， 趙榮春

(1. 華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在達(dá)到其極限承載力的情況下，仍能在產(chǎn)生一定的變形下維持它的承載力的一種變形能力，其在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)危險(xiǎn)后不會(huì)突然破壞,從而起到警示作用，同時(shí)，能夠充分利用材料的性能[1].500 MPa級(jí)鋼筋具有高強(qiáng)度、高延性等特點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)中，高性能材料能夠起到節(jié)省材料的目的[2].我國建筑鋼筋的發(fā)展大致經(jīng)歷了引進(jìn)模仿、自主研發(fā)、引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備、吸引創(chuàng)新4個(gè)階段[3-4]，總體上是由低強(qiáng)度向高強(qiáng)度發(fā)展.

近年來，國內(nèi)外已對(duì)500 MPa級(jí)鋼筋混凝土進(jìn)行了大量研究，包括其構(gòu)件的承載能力[5-7]、正常使用性能[8-11]、抗震性能[12-15]等.目前，我國已將500 MPa級(jí)鋼筋列入規(guī)范使用鋼筋，但其混凝土梁的設(shè)計(jì)規(guī)范仍然按照400 MPa級(jí)鋼筋的要求.采用舊規(guī)范對(duì)新鋼筋進(jìn)行規(guī)定，有可能過于保守且浪費(fèi)鋼筋，不利于高強(qiáng)鋼筋的使用和推廣.因此，本文對(duì)配置500 MPa級(jí)鋼筋混凝土梁的抗彎延性進(jìn)行試驗(yàn)研究，討論縱筋的強(qiáng)度等級(jí)、配筋率，以及混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土梁延性的影響.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters of specimens

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

表1為試件參數(shù).表1中:ρ為縱筋配筋率.試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作6個(gè)鋼筋混凝土梁試件，其中，2個(gè)配置400 MPa級(jí)縱筋，4個(gè)配置500 MPa級(jí)縱筋.試件均為截面250 mm×400 mm(寬×高)，長度2 700 mm的矩形梁；混凝土保護(hù)層厚度均為25 mm；HPB 300級(jí)鋼筋的箍筋直徑均為10 mm、間距為80 mm；混凝土梁的上層縱筋采用2根直徑為10 mm的HPB 300級(jí)鋼筋作為架立筋，其余縱筋均設(shè)置為底部鋼筋.為獲取試件在加載過程中的應(yīng)變變化情況，分別在底部縱筋中間部位、混凝土梁中間截面的混凝土表面粘貼應(yīng)變片.

圖1 加載示意圖 圖2 試驗(yàn)加載圖 Fig.1 Loading diagram Fig.2 Test loading diagram

1.2 試驗(yàn)加載裝置、加載制度及量測

1.2.1 加載裝置 為了分析混凝土梁的抗彎性能，混凝土梁的兩端為鉸支(一邊滑動(dòng)、一邊固定)，采用兩點(diǎn)同步加載形式，從而獲得跨中純彎段部分.加載示意圖，如圖1所示.圖1中：F為荷載；a1為加載點(diǎn)到梁邊支座間的距離，a1=800 mm;a2為兩個(gè)加載點(diǎn)間的距離，a2=800 mm.試驗(yàn)加載圖，如圖 2所示.

1.2.2 加載制度及量測 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行分級(jí)加載，在每個(gè)試件加載前有一個(gè)預(yù)加載部分.正式加載初期，采用力控制進(jìn)行分級(jí)加載；當(dāng)荷載施加至預(yù)估極限承載力的70%時(shí)，轉(zhuǎn)為位移控制，分級(jí)加載，加載速率為1 mm·min-1;試件的承載力下降至極限承載力的85%后，停止加載[16].在梁底中間部位及梁頂端部安置位移傳感器.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 材料性能

表2為鋼筋強(qiáng)度表.表2中：σs為屈服強(qiáng)度；σb為抗拉極限強(qiáng)度.在加載前對(duì)材料進(jìn)行測試，得到C50和C70混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度為53.81，2.31 MPa.

表2 鋼筋強(qiáng)度Tab.2 Reinforcement strength

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

各個(gè)試件的破壞形態(tài)相似，均為彎曲延性破壞.加載初期，各試件的首條裂紋均出現(xiàn)在單邊荷載40 kN左右時(shí)，其裂縫寬度為0.04～0.10 mm，且裂縫均由梁底跨中部位沿梁寬度發(fā)展.隨著荷載的增大，純彎段開始不斷出現(xiàn)豎向裂縫和新的橫向裂縫，同時(shí),在剪跨區(qū)段也開始出現(xiàn)細(xì)長的斜裂縫，但其寬度及發(fā)展速率較純彎段小.當(dāng)試件L1～L6的荷載分別增加到160,220,140,220,140,220 kN時(shí)，梁的裂縫開展已較為明顯，此時(shí),試件L1～L6的主裂縫寬度分別為0.62,0.36,0.30,0.46,0.36,0.30 mm；此后,由力控制轉(zhuǎn)為位移控制，當(dāng)試驗(yàn)梁達(dá)到極限荷載時(shí)，試件L1～L6的承載力分別為419.75，589.10，452.95，615.20，470.17，654.60 kN;當(dāng)試件L1～L6的作動(dòng)頭平均相對(duì)位移分別達(dá)到33.98,25.90,34.06,27.31,36.40，27.53 mm時(shí)，試驗(yàn)梁純彎段受壓區(qū)混凝土壓碎，鋼筋已屈服，試件發(fā)生適筋破壞，試驗(yàn)結(jié)束.各個(gè)試件純彎段的最終破壞圖，如圖3所示.

(a) L1 (b) L2 (c) L3

(d) L4 (e) L5 (f) L6圖3 試件純彎段的最終破壞圖Fig.3 Final failure diagram of the specimen pure bending section

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)梁平截面假定適用性 平截面假定即變形之前的平面在變形之后仍保持為平面[17].為了分析配置500 MPa級(jí)縱筋混凝土梁截面是否滿足平截面假定，在試件中部沿著高度均勻布置了應(yīng)變片，以測量不同荷載作用下的應(yīng)變分布情況.各個(gè)試件的跨中截面混凝土應(yīng)變分布，如圖4所示.圖4中：h為梁截面高度；ε為跨中截面應(yīng)變.

(a) L1 (b) L2 (c) L3

(d) L4 (e) L5 (f) L6圖4 試件的跨中截面混凝土應(yīng)變分布Fig.4 Strain distribution of concrete in midspan section of specimens

圖5 試件的跨中彎矩-撓度曲線Fig.5 Midspan bending moment-deflection curve of specimens

由圖4可知：在加載初期，各個(gè)試件的應(yīng)變分布沿著梁截面高度呈線性變化，隨著荷載增大，該線性變化規(guī)律不再明顯.總體而言，試件的截面基本上符合平截面假定.

2.3.2 試驗(yàn)梁跨中彎矩-撓度曲線分析 各個(gè)試件的跨中彎矩(M)-撓度(γ)曲線，如圖5所示.各試件的彎矩-撓度曲線均經(jīng)歷了4個(gè)階段：上升階段1；上升階段2；水平波動(dòng)階段；下降階段.

由圖5可知：上升階段1持續(xù)較短，主要由于加載初期混凝土未開裂，整個(gè)試件為彈性階段，荷載較小時(shí)混凝土即開裂，梁截面剛度突變；上升階段2持續(xù)較長且基本為線性，當(dāng)?shù)撞渴芾摻钋?，混凝土梁達(dá)到極限承載力；在水平波動(dòng)階段中，梁所承受的荷載不再加大，且過程較長，這一段體現(xiàn)了混凝土梁彎矩破壞的延性性質(zhì)；隨著位移的增加，混凝土不斷被壓碎，當(dāng)受壓區(qū)混凝土全部壓碎后，梁所承受的荷載迅速下降，試件破壞.500 MPa級(jí)和400 MPa級(jí)鋼筋的試驗(yàn)梁從位移曲線的變化趨勢上看，是基本一致的.

表3 試件延性系數(shù)Tab.3 Ductility coefficient of specimens

3 試驗(yàn)的影響因素分析

對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎延性的主要影響因素有混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度和縱筋配筋率.

3.1 混凝土強(qiáng)度

在采用同樣鋼筋強(qiáng)度和縱筋配筋率的情況下，分別對(duì)比試件L3與L5，L4與L6可知，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，梁的抗彎承載力略有提高，混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C50提高至C70，試件的抗彎承載力分別由452.95 kN提高到470.17 kN，615.20 kN提高到654.60 kN，分別提高了3.8%和6.4%.隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大，試件的延性也相應(yīng)提高.

3.2 鋼筋強(qiáng)度

在采用同樣混凝土強(qiáng)度和縱筋配筋率的情況下，分別對(duì)比試件L1與L5，L2與L6可知，它們的抗彎承載力分別由419.75 kN提高到470.17 kN，589.10 kN提高到654.60 kN，分別提高了12.0%和11.1%，說明采用500 MPa級(jí)縱筋能夠有效地提高試件的承載能力，而采用高強(qiáng)度鋼筋并不能有效地提高混凝土梁構(gòu)件的延性.

3.3 縱筋配筋率

在采用同樣鋼筋強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的情況下，分別對(duì)比試件L1和L2，L3和L4，L5和L6可以發(fā)現(xiàn)，其抗彎承載力分別提高了40.3%,35.8%和39.2%，說明縱筋配筋率的提高能夠顯著改善混凝土梁的抗彎承載力，但縱筋配筋率大的試件的極限變形較小、延性較差，這與400 MPa級(jí)縱筋混凝土梁的規(guī)律類似.因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意控制梁的最大縱筋配筋率，從而保障試件的延性性能.

4 結(jié)論

通過對(duì)6個(gè)鋼筋混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析配置500 MPa級(jí)縱筋混凝土梁截面的抗彎延性，得到以下4點(diǎn)結(jié)論.

1) 配置500 MPa級(jí)縱筋混凝土梁與配置400 MPa級(jí)縱筋混凝土梁的適筋受彎破壞形式類似，且混凝土梁截面基本符合平截面假定.

2) 在其他參數(shù)一致的情況下，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，梁的抗彎承載力和延性均有所提高.

3) 在其他參數(shù)一致的情況下，縱筋配筋率的提高能夠有效提高梁的抗彎承載力，但縱筋配筋率大的試件的極限變形能力較小、延性較差.

4) 在其他參數(shù)一致的情況下，配置500MPa級(jí)縱筋的混凝土梁較配置400MPa級(jí)縱筋的混凝土梁在抗彎承載力上有較大提高，但對(duì)延性的提高有限.