HRB600級鋼筋混凝土梁受彎性能試驗研究

陳安英, 鄧 松, 高 鵬, 完海鷹, 朱 華, 劉西洋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥工大共達工程檢測試驗有限公司,安徽 合肥 230009; 3.安徽寰宇建筑設(shè)計院,安徽 合肥 230012)

隨著現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)朝著大跨、高層、重載的方向發(fā)展,越來越多的工程采用高強高性能的材料[1-2]。相比于傳統(tǒng)的HRB400級鋼筋,HRB600級高強鋼筋這種新型的建筑材料具有強度高、綜合造價低及綠色環(huán)保等優(yōu)點。但是在實際工程中,HRB600級高強鋼筋并未得到廣泛的應(yīng)用,在行業(yè)整體內(nèi)所占的比例并不是很高。這主要是由于文獻[3]對HRB600級鋼筋的設(shè)計參數(shù)未做規(guī)定,使得HRB600級鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論不夠成熟,在其推廣應(yīng)用過程中沒有足夠的理論依據(jù)。

目前對于配置HRB600級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)性能,已有一些試驗研究。文獻[4-6]對配置HRB600級鋼筋混凝土梁受彎性能進行試驗研究;文獻[7-9]對配置HRB600級鋼筋混凝土梁裂縫寬度進行試驗研究;文獻[10-12]對配置HRB600級鋼筋混凝土梁的抗裂性能和變形性能進行試驗研究;文獻[13-14]對配置HRB600級鋼筋混凝土梁的受彎及受剪性能進行試驗研究。綜合分析已有相關(guān)研究成果,對于配置HRB600級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的研究,主要集中在2%配筋率以下及跨高比小于9的試件,且對上部架立筋為HRB600級鋼筋構(gòu)件的研究報道很少,使得配置HRB600級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的試驗資料缺乏完整性。

本文設(shè)計12根跨高比為9的高配筋率鋼筋混凝土梁,且下部受拉鋼筋和上部架立筋均采用HRB600級高強鋼筋,結(jié)合試驗現(xiàn)象及相關(guān)試驗數(shù)據(jù),對配置HRB600級鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)、鋼筋強度設(shè)計值取值、極限承載力、跨中撓度及裂縫寬度等開展研究,以期為HRB600級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的理論設(shè)計及工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計12根不同配筋率的HRB600級鋼筋混凝土梁,其寬×高×長為250 mm×400 mm×4 000 mm,計算跨度l0=3 600 mm。設(shè)計混凝土等級為C50,保護層厚度為25 mm?？v向受拉鋼筋采用HRB600級鋼筋,直徑有12、16、18、20、22、25 mm 6種;受壓鋼筋(架立筋)采用2根HRB600級鋼筋,直徑為12 mm;箍筋采用HRB400級鋼筋,直徑為10 mm。試件尺寸及配筋示意圖如圖1所示。圖1中,As、As′分別為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的截面面積。試件編號、縱筋分布及配筋率見表1所列。

圖1 試件尺寸及配筋示意圖

表1 試件編號、縱筋分布及配筋率

1.2 材料力學(xué)性能

試驗所用混凝土均為C50強度等級,試件澆筑時,每個試件預(yù)留3個邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊,制作完成后與澆筑好的試件在相同條件下養(yǎng)護。試驗所用的鋼筋型號主要為HRB600,在鋼筋下料時不同直徑的鋼筋各預(yù)留3根長度為500 mm的試樣。試驗開始前對所預(yù)留的材料試樣進行力學(xué)性能試驗,鋼筋的力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2所列。

表2 HRB600級鋼筋力學(xué)性能試驗結(jié)果

混凝土實測立方體抗壓強度為59.98 MPa,軸心抗壓強度換算值為38.83 MPa,軸心抗拉強度換算值為2.84 MPa,彈性模量為35.99 GPa。

1.3 試驗加載及測量內(nèi)容

試驗采用三分點靜力加載方式,保證在試驗梁跨中部位形成1 200 mm純彎段。試驗加載裝置示意圖如圖2所示,通過液壓千斤頂進行加載,用簡支分配梁將千斤頂?shù)膲毫ΨQ分配給試驗梁,在千斤頂?shù)酌媾c分配梁之間安裝壓力傳感器,記錄荷載變化。試驗梁支座采用簡支形式,一端為固定鉸支座,另一端為滑動鉸支座。加載點、支座處均加墊鋼板,防止加載過程中混凝土局部壓壞。

圖2 試驗加載裝置示意圖

試驗加載制度參考文獻[15],正式加載前先預(yù)加載至梁計算開裂荷載的10%,檢驗支座是否平穩(wěn),儀表及加載設(shè)備是否正常,并對設(shè)備進行調(diào)零。加載前期按照開裂荷載計算值的20%進行分級加載,達到開裂荷載計算值80%后,按照開裂荷載計算值的5%進行加載;當(dāng)試件開裂后,按照極限承載力計算值的10%進行分級加載(極限承載力根據(jù)試驗材料強度實測值計算得到),達到極限承載力計算值90%后,按照極限承載力計算值的5%進行加載,直至試件破壞。每級荷載加載結(jié)束后持荷10 min,用于觀察試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄。

鋼筋的應(yīng)變通過在受拉與受壓鋼筋的跨中及2個三分點位置處粘貼應(yīng)變片來測量;試驗梁開裂后,通過裂縫觀測儀測量每級荷載下縱筋對應(yīng)位置的裂縫寬度。試驗梁鋼筋應(yīng)變片布置及裂縫測點位置如圖3所示。圖3中,as為受拉區(qū)縱向鋼筋合力點至截面受拉區(qū)邊緣的距離。

圖3 試驗測點布置

2 試驗現(xiàn)象

試驗設(shè)計的12根HRB600級鋼筋混凝土梁在加載過程中均出現(xiàn)適筋破壞特征,下面以最低配筋率試件(L1)和最高配筋率試件(L12)為代表,描述不同配筋率試件的試驗現(xiàn)象。

(1)試件L1。試驗先預(yù)加載(5 kN)檢查各儀器是否正常工作,檢查后卸載至0 kN,然后開始正式加載。加載初期,鋼筋的應(yīng)變很小,鋼筋及混凝土應(yīng)變增長較為穩(wěn)定。當(dāng)加載至57 kN時,在純彎段左、右加載點處截面下部各出現(xiàn)1條裂縫,寬度均為0.02 mm,高度約50 mm。加載到106 kN時,純彎段裂縫延伸高度均大于100 mm,最大延伸高度為158 mm,此時最大裂縫寬度為0.10 mm。加載到174 kN時,純彎段裂縫高度發(fā)展迅速,最大延伸高度為198 mm,最大裂縫寬度達到0.20 mm。加載到250 kN時,純彎段裂縫高度最大已達252 mm,部分新增裂縫高度均超過100 mm,此時最大裂縫寬度達到0.24 mm。加載到326 kN時,彎剪段開始出現(xiàn)斜裂縫,純彎段最大裂縫寬度達到0.28 mm。加載到392 kN時,彎剪段斜裂縫迅速發(fā)展,純彎段最大裂縫寬度已達到0.38 mm。加載到428 kN時,純彎段裂縫高度基本保持不變,最大裂縫寬度迅速發(fā)展至0.48 mm,此時受拉鋼筋屈服。隨著荷載繼續(xù)增加,試驗梁最大裂縫寬度急劇發(fā)展,加載后期,荷載出現(xiàn)上下波動,荷載值難以增加,短暫的持續(xù)時間后,梁頂混凝土被壓碎,試驗梁破壞。整個加載過程經(jīng)歷較大的變形,破壞時最大裂縫寬度達到2.00 mm,破壞具有明顯的預(yù)兆。試件L1的裂縫分布及破壞形態(tài)分別如圖4、圖5所示。

圖4 試件L1破壞階段裂縫分布情況

圖5 試件L1破壞形態(tài)

(2)試件L12。試件L12的裂縫分布及破壞形態(tài)分別如圖6、圖7所示。

圖6 試件L12破壞階段裂縫分布情況

圖7 試件L12破壞形態(tài)

試驗首先預(yù)加載(7 kN)檢查各儀器是否正常工作,檢查后卸載至0 kN,然后開始正式加載。當(dāng)加載到75 kN時,在純彎段右加載點試驗梁截面下部出現(xiàn)第1條裂縫,寬度為0.03 mm,高度為81 mm,梁開裂。加載到137 kN時,純彎段裂縫高度延伸長度最大為223 mm,平均延伸高度將近1/2梁高,最大裂縫寬度為0.18 mm。加載到210 kN時,純彎段裂縫高度發(fā)展很快,裂縫高度接近300 mm,最大裂縫寬度增大為0.20 mm。加載到270 kN時,裂縫高度變化不大,裂縫寬度發(fā)展迅速,最大裂縫寬度為0.28 mm。加載到333 kN時,純彎段裂縫基本出齊,彎剪段裂縫開始斜向發(fā)展并不斷延伸。加載到393 kN時,純彎段裂縫高度基本保持穩(wěn)定,最大裂縫寬度為0.30 mm。加載到528 kN時,最大裂縫寬度為0.40 mm,鋼筋達到屈服應(yīng)力。加載到588 kN時,純彎段裂縫高度繼續(xù)保持穩(wěn)定,寬度保持不斷增長,最大裂縫寬度為0.50 mm,彎剪段斜裂縫開展明顯,已經(jīng)延伸到支座處。隨著荷載的繼續(xù)增加,裂縫寬度急劇增大,而基本不向上發(fā)展,跨中撓度增加較快。加載后期,荷載出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象,荷載值很難增加,試驗梁跨中撓度急劇增加,伴隨著“蹦”的一聲,梁頂部混凝土被壓碎,試驗梁破壞。整個過程經(jīng)歷較大的變形,破壞時最大裂縫寬度達到2.30 mm,破壞具有明顯的預(yù)兆。

分析試件L1、試件L12整個加載過程中的試驗現(xiàn)象,高配筋率試件在加載初期裂縫寬度增大更加快速,加載后期,不論是高配筋率試件,還是低配筋率試件,裂縫寬度發(fā)展都很快,在裂縫寬度發(fā)展到限值0.30 mm時,所有試驗梁的承載力發(fā)揮程度均不充分,建議規(guī)范[3]對配置HRB600級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件裂縫寬度限值適當(dāng)放寬。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載-撓度曲線

12個試件的荷載-跨中撓度曲線如圖8所示,撓度值為跨中位移計讀數(shù)與2個支座位移計讀數(shù)平均值之差。

由圖8可知,配置HRB600級鋼筋混凝土梁的變形呈現(xiàn)適筋梁典型的三階段模式。

圖8 12個試件的荷載-跨中撓度曲線

(1)彈性階段。從開始加載至試驗梁開裂前,試件的撓度增加較小,荷載-撓度曲線基本呈線性增加。

(2)帶裂縫工作階段。當(dāng)荷載增加至開裂荷載時,試驗梁純彎段內(nèi)出現(xiàn)1條或幾條初始裂縫,荷載-撓度曲線斜率開始發(fā)生改變,試件剛度略微降低。隨著荷載進一步增加,試驗梁撓度穩(wěn)定增長,直至縱向受力鋼筋達到其屈服強度后,試件變形發(fā)生突增,荷載-撓度曲線上出現(xiàn)明顯的拐點,曲線斜率變化較大,試件剛度降低明顯。

(3)破壞階段。當(dāng)鋼筋屈服后,荷載略微增加一段時間后基本保持不變,但試驗梁撓度快速增加,中和軸位置快速上移,不久荷載出現(xiàn)上下波動現(xiàn)象,荷載值難以增加,隨即伴隨著清脆的“蹦”聲,梁頂部混凝土被壓碎,瞬時間梁撓度值急劇增加,荷載下降,試驗梁失去穩(wěn)定承載能力。

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

12個試件的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線如圖9所示,鋼筋應(yīng)變片位于試驗梁純彎段受拉縱筋上。由圖9可知:在加載初期,HRB600級鋼筋混凝土梁的鋼筋應(yīng)變較小,應(yīng)變增長穩(wěn)定,混凝土與鋼筋共同受力;隨著荷載增加,在試驗梁的純彎段首先出現(xiàn)裂縫,此時純彎段區(qū)域抗拉承載力主要由受拉縱筋承擔(dān),鋼筋應(yīng)變明顯增大,荷載-應(yīng)變曲線斜率發(fā)生改變;此后繼續(xù)加載,受拉鋼筋應(yīng)變不斷增大,在約3 000×10-6時受拉鋼筋屈服;之后隨著荷載增加,荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點,鋼筋應(yīng)變迅速增長;最終,隨著荷載達到試驗梁的極限承載力,受壓區(qū)混凝土被壓碎,試驗梁破壞。試驗梁在破壞前受拉鋼筋均已屈服,發(fā)生適筋破壞。

圖9 12個試件的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

3.3 截面應(yīng)變分布

試驗過程中通過混凝土應(yīng)變片測得試件在不同級荷載作用下的截面應(yīng)變發(fā)展規(guī)律,試件L1、L12跨中截面應(yīng)變分布如圖10所示。圖10中,Mu為試件實測破壞彎矩。由圖10可知,在正常使用階段,配置HRB600級鋼筋的混凝土梁在各級荷載作用下截面應(yīng)變規(guī)律基本符合平截面假定。

圖10 試件L1、L12跨中截面應(yīng)變分布

4 抗彎承載力試驗分析

4.1 鋼筋強度設(shè)計值取值

試驗過程中,通過應(yīng)變片和采集儀獲得12個試件破壞階段的應(yīng)變數(shù)據(jù),見表3所列。

從表3可以看出,12個試件破壞階段受拉鋼筋的峰值應(yīng)變范圍為3 996×10-6～4 900×10-6,受壓鋼筋的峰值應(yīng)變范圍為2 549×10-6～2 818×10-6。

表3 12個試件實測應(yīng)變數(shù)據(jù) 10-6

4.1.1 抗拉強度設(shè)計值

對于鋼筋抗拉強度設(shè)計值,其為鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料的分項系數(shù),按文獻[3]取材料分項系數(shù)γs為1.15,則抗拉強度設(shè)計值fy=fyk/γs=521.70 MPa,可取抗拉強度設(shè)計值fy為520 MPa。

綜合以上分析,對于配置HRB600級高強鋼筋混凝土受彎構(gòu)件,鋼筋的屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值可取為fyk=600 MPa,抗拉強度設(shè)計值可取為fy=520 MPa。

4.1.2 抗壓強度設(shè)計值

由表3可知,12根試驗梁的受壓鋼筋峰值應(yīng)變平均值為2 675×10-6,標(biāo)準(zhǔn)差為82×10-6。鋼筋的彈性模量為200 GPa,則受壓鋼筋的應(yīng)力平均值為535 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為16.59 MPa。鋼筋的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fyk′=507.71 MPa,抗壓強度設(shè)計值fy′=441.49 MPa,可取抗壓強度設(shè)計值fy′=435 MPa。

4.2 極限承載力計算

配置HRB600級鋼筋混凝土梁在整個受力過程中基本符合平截面假定,根據(jù)文獻[3]給出的公式對試件的極限承載力進行計算,計算結(jié)果與實測結(jié)果對比見表4所列。

表4 12個試件極限承載力試驗值與理論計算值對比

5 現(xiàn)行規(guī)范計算公式適用性分析

5.1 短期剛度計算公式適用性

試驗過程中用電子位移計測量試件從開始加載至破壞整個受力過程的位移變化,并與基于文獻[3]短期剛度公式得到的撓度計算值進行對比,其結(jié)果如圖11所示,見表5所列。圖11、表5中:ft為試件各級荷載作用下跨中撓度實測值;fs為基于文獻[3]短期剛度公式得到的跨中撓度計算值。

從圖11、表5可以看出,當(dāng)荷載較小時,試驗梁跨中撓度實測值偏小,隨著荷載增大,試驗梁跨中撓度實測值與計算值比值逐漸穩(wěn)定,整個加載過程中ft/fs的平均值為0.925,變異系數(shù)平均值為0.099。

表5 12個試件ft/fs平均值與變異系數(shù)

圖11 實測撓度值ft與文獻[3]計算值fs比較曲線

從整體上看,對于配置HRB600級鋼筋混凝土梁,基于文獻[3]短期剛度公式得到的跨中撓度計算值與試驗實測撓度值吻合良好。

5.2 短期工況下裂縫寬度計算公式適用性

對于短期荷載作用下受彎構(gòu)件縱筋水平位置處裂縫寬度最大值wmax,文獻[3]給出的計算公式為:

(1)

其中:wm為平均裂縫寬度;τs為短期裂縫寬度擴大系數(shù);αc為裂縫間混凝土自身伸長對裂縫寬度的影響系數(shù);σsq為受彎構(gòu)件受拉區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)力;ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離;Es為鋼筋彈性模量;deq為受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑;ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率。

試驗過程中通過裂縫觀測儀測量每級荷載下受拉縱筋水平處截面裂縫寬度,并與按照文獻[3]公式計算的最大裂縫寬度值進行比較,結(jié)果如圖12所示。

圖12 裂縫寬度實測值與文獻[3]計算值比較曲線

從圖12可以看出,在短期荷載作用下,配置HRB600級鋼筋混凝土梁在不同等級荷載下,最大裂縫寬度實測值基本均比計算值大,特別是隨著荷載增加,實測值大于計算值的程度越來越顯著,當(dāng)實測最大裂縫寬度大于0.30 mm后,實測值均大于計算值。研究結(jié)果說明,利用文獻[3]計算配置HRB600級鋼筋混凝土梁在短期荷載作用下的最大裂縫寬度時,計算公式需要進行調(diào)整。

5.3 短期工況下裂縫寬度計算公式修正

本文通過12根試驗梁108個裂縫測點數(shù)據(jù)，得到短期荷載下最大裂縫寬度實測值與計算值的比值為1.197,變異系數(shù)為0.174。為保證文獻[3]中計算公式的準(zhǔn)確性和完整性,考慮直接對文獻[3]中計算公式乘以最大裂縫寬度調(diào)整系數(shù)k。根據(jù)試件L1～L12的裂縫測點數(shù)據(jù)進行擬合分析,取k為1.15。

調(diào)整后短期荷載作用下的最大裂縫寬度計算公式為:

(2)

根據(jù)(2)式進行計算,將實測值與計算值進行對比,結(jié)果如圖13所示。實測值與本文(2)式計算值比值的平均值為1.041,變異系數(shù)為0.142,計算值與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。

圖13 裂縫寬度實測值與本文公式計算值比較曲線

6 結(jié) 論

本文通過研究12根配置HRB600級鋼筋、C50混凝土梁的抗彎性能試驗,結(jié)合試驗現(xiàn)象及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)對試件的破壞形態(tài)、鋼筋強度設(shè)計值取值、極限承載力、跨中撓度及裂縫寬度等開展討論,主要結(jié)論如下:

(1)試驗梁的受力過程主要分為3個階段,即彈性階段(初始裂縫出現(xiàn)前)、帶裂縫工作階段(初始裂縫出現(xiàn)至受拉鋼筋屈服)、破壞階段(受拉鋼筋屈服至受壓區(qū)混凝土被壓碎)。試驗結(jié)果表明,配置HRB600級高強鋼筋混凝土梁的受力形態(tài)、破壞模式與普通鋼筋混凝土梁相同,且梁跨中截面混凝土應(yīng)變符合平截面假定。

(2)試驗梁受拉鋼筋的峰值應(yīng)變范圍為3 996×10-6～4 900×10-6,受壓鋼筋的峰值應(yīng)變范圍為2 549×10-6～2 818×10-6,結(jié)合鋼筋的拉伸試驗數(shù)據(jù),本文建議對于受彎構(gòu)件,HRB600級鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值取600 MPa,抗拉強度設(shè)計值取520 MPa,抗壓強度設(shè)計值取435 MPa。

(3)通過觀測試驗梁純彎段跨中撓度的發(fā)展情況,并與基于文獻[3]中短期剛度計算公式得到的理論撓度值進行對比分析,發(fā)現(xiàn)試驗梁跨中撓度實測值與理論計算值吻合良好。

(4)利用文獻[3]公式計算HRB600級鋼筋混凝土梁的最大裂縫寬度,發(fā)現(xiàn)計算值比實測值小。基于文獻[3]引入最大裂縫寬度調(diào)整系數(shù)k,直接在原公式基礎(chǔ)上乘以最大裂縫寬度調(diào)整系數(shù)k;根據(jù)本次試驗的裂縫測點數(shù)據(jù)進行擬合分析,取k為1.15,研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后的計算值與試驗值吻合較好。