摘 要：為研究配置了細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的受彎性能，制作了HRBF400、HRBF500級(jí)鋼筋混凝土矩形截面梁各4根進(jìn)行靜力抗彎試驗(yàn)。研究表明HRBF筋混凝土梁在短期荷載作用下的最大裂縫寬度實(shí)測值滿足規(guī)范要求，但計(jì)算值不滿足。HRBF400級(jí)鋼筋混凝土梁在正常使用條件下的撓度能滿足規(guī)范要求，HRBF500級(jí)鋼筋混凝土梁不能夠滿足規(guī)范要求。推導(dǎo)了HRBF筋混凝土梁在裂縫/撓度控制條件下的承載力計(jì)算公式，提出了構(gòu)件承載力利用系數(shù)的概念，分析了鋼筋強(qiáng)度、鋼筋直徑、混凝土強(qiáng)度、配筋率、混凝土保護(hù)層厚度、高跨比對(duì)構(gòu)件承載力利用系數(shù)的影響。在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)，HRBF筋混凝土梁的延性基本滿足要求。HRBF筋混凝土梁的耗能能力在較低配筋率時(shí)與普通鋼筋混凝土梁相近，但隨著配筋率的提高，其耗能能力較普通鋼筋混凝土梁降低的快。同配筋率下，HRBF筋混凝土梁在彈性階段的耗能能力較普通鋼筋混凝土梁要高，且隨著配筋率的增大而提高。

關(guān)鍵詞：混凝土梁；細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋；受彎；撓度；裂縫；延性

中圖分類號(hào)：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：16744764（2013）02003808

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛使用。目前在國際上使用的是400 MPa等級(jí)以上建筑鋼筋，中國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010-2010已將HRBF400級(jí)、HRBF500級(jí)鋼筋列為現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)鋼筋。高強(qiáng)度鋼筋雖然提高了鋼筋的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的承載力，降低了用鋼量，但是，使用高強(qiáng)度鋼筋可能會(huì)造成鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)較大裂縫或撓度而無法滿足正常使用極限狀態(tài)的要求。配置高強(qiáng)度鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用階段能否滿足結(jié)構(gòu)適用性和耐久性的要求，是高強(qiáng)度鋼筋應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)解決的重要問題之一。因此，研究高強(qiáng)度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能具有重要的理論和工程實(shí)際意義。

葛文杰，等：細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎性能試驗(yàn)與參數(shù)分析

其他國家學(xué)者對(duì)高強(qiáng)度鋼筋混凝土梁的研究較早， Guralnick[1]對(duì)高強(qiáng)鋼筋T形截面混凝土梁受彎性能進(jìn)行了研究，Hognestad等[2]、Kaar等[3]、Timms [4]對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎、裂縫性能進(jìn)行了研究，Kyoto等[5]對(duì)單向和反復(fù)加載下高強(qiáng)鋼筋混凝土梁在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究，Matsumoto等[6]對(duì)配置了11種鋼筋類型的T形截面高強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了研究，Lorrain等[7]對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，Mast等[8]提出了一種適用于高強(qiáng)鋼筋混凝土梁承載力的計(jì)算方法。中國對(duì)于高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的研究基本處于起步階段。天津大學(xué)的王鐵成等[9]、李艷艷等[10]對(duì)配置500 MPa鋼筋的混凝土梁和配有蒙皮鋼筋的梁受彎、受剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。青島理工大學(xué)的王命平等[11]通過對(duì)比試驗(yàn)研究，建議500 MPa級(jí)帶肋碳素鋼筋混凝土簡支梁的撓度、裂縫均按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，但撓度值應(yīng)乘以擴(kuò)大系數(shù)fy/300（建議取fy=420 MPa）。華僑大學(xué)的王全鳳等[12]分析了HRB500級(jí)鋼筋和高強(qiáng)混凝土匹配下的梁的破壞形態(tài)、變形特點(diǎn)和承載性能。同濟(jì)大學(xué)的蘇小卒等[13]、李志華等[14]、趙勇等[15]對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土梁和配表層鋼筋的高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的短期裂縫、剛度進(jìn)行了研究。江蘇大學(xué)的陸春華等[16]建議從降低最大裂縫寬度保證率和調(diào)整計(jì)算鋼筋應(yīng)力2個(gè)方面對(duì)配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的受彎構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

目前中國大部分研究者根據(jù)試驗(yàn)研究對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中的某些參數(shù)（如構(gòu)件受力特征系數(shù)acr，平均裂縫間距計(jì)算公式中的系數(shù)，長期荷載作用下的裂縫寬度擴(kuò)大系數(shù)τl，鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ等）進(jìn)行了修正，或?qū)⒂?jì)算公式乘以修正系數(shù)（如撓度乘以fy/300、1.25，最大裂縫寬度乘以0.9，相對(duì)承載力剛度修正系數(shù)aB）。本文從正常使用極限狀態(tài)出發(fā)，推導(dǎo)了裂縫/撓度控制條件下的承載力計(jì)算公式并進(jìn)行了參數(shù)分析，并對(duì)梁的延性及耗能性能也進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)制作了HRBF400級(jí)鋼筋、HRBF500級(jí)鋼筋混凝土梁彎曲破壞構(gòu)件各4根，構(gòu)件的截面尺寸及配筋見表1。鋼筋的力學(xué)性能見表2。

2 裂縫性能

2.1 最大裂縫寬度計(jì)算

試驗(yàn)測得試驗(yàn)梁在短期荷載作用下最大裂縫寬度隨荷載的變化曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋混凝土梁開裂時(shí)初始裂縫寬度很小，從開裂荷載到屈服荷載，裂縫寬度近似按線性增大，達(dá)到屈服荷載后裂縫寬度急劇增大；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010—2002在計(jì)算最大裂縫寬度時(shí)取荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，一般情況下荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合約為極限荷載的80%，試驗(yàn)梁在達(dá)到短期荷載最大裂縫寬度控制值ws，max=0.2 mm時(shí)，M/Mu的值基本大于0.8。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50010—2010在計(jì)算最大裂縫寬度時(shí)取荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合，一般情況下荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久值為標(biāo)準(zhǔn)值的80%，試驗(yàn)梁在達(dá)到短期荷載最大裂縫寬度控制值ws，max=0.2 mm時(shí)，M/Mu的值全部大于0.64。表明在正常使用條件下，HRBF筋混凝土梁在荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合下和準(zhǔn)永久組合下裂縫寬度都滿足規(guī)范要求。

矩形截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在短期荷載作用下的最大裂縫寬度（mm）可按下列公式計(jì)算：

式中：acr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，對(duì)受彎構(gòu)件，2002版規(guī)范與2010版規(guī)范規(guī)定短期荷載作用下的取值分別為1.4和1.27；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ<0.2時(shí)，短期荷載作用下的最大裂縫寬度的理論計(jì)算值與與試驗(yàn)實(shí)測值對(duì)比見表3。

由表3并結(jié)合圖1可以看出，當(dāng)M/Mu的值達(dá)到0.8時(shí)，短期荷載作用下的最大裂縫寬度實(shí)測值wmax， se均小于0.2 mm，表明HRBF筋混凝土梁在正常使用條件下裂縫寬度滿足規(guī)范要求，但當(dāng)M/Mu的值還未達(dá)到0.8時(shí)，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的短期荷載作用下的最大裂縫寬度值wmax， se基本大于0.2 mm； 2002版規(guī)范關(guān)于短期荷載作用下最大裂縫寬度的計(jì)算值與實(shí)測值比值的均值為1.19，變異系數(shù)為021，2010版規(guī)范關(guān)于短期荷載作用下最大裂縫寬度的計(jì)算值與實(shí)測值比值的均值為1.07，變異系數(shù)為0.21，理論值普遍大于實(shí)測值。

2.2 裂縫控制下承載力計(jì)算

短期荷載作用下最大裂縫寬度應(yīng)滿足

將計(jì)算所得的由最大裂縫寬度控制的承載力除以構(gòu)件的極限承載力得M/Mu，稱為構(gòu)件承載力利用系數(shù)。由式（8）～（10）可計(jì)算得到不同鋼筋直徑、混凝土保護(hù)層厚度下不同配筋率構(gòu)件的承載力利用系數(shù)。其中，圖2為HBRF400、HBRF500級(jí)鋼筋混凝土梁，鋼筋直徑分別取16、20 mm，混凝土保護(hù)層厚度分別取20、30 mm，混凝土強(qiáng)度分別取C40、C50時(shí)構(gòu)件承載力利用系數(shù)隨配筋率變化曲線，圖中第1個(gè)數(shù)值代表鋼筋強(qiáng)度，第2個(gè)代表鋼筋直徑，第3個(gè)代表混凝土保護(hù)層厚度，第4個(gè)代表混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

從圖2可以看出，隨著配筋率的增大，承載力利用系數(shù)逐漸提高，構(gòu)件由裂縫控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛沙休d力控制；隨著鋼筋直徑的增大，承載力利用系數(shù)逐漸降低；隨著混凝土保護(hù)層厚度的增大，承載力利用系數(shù)逐漸降低；混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)構(gòu)件承載力利用系數(shù)的影響不大； HRBF500級(jí)鋼筋承載力利用系數(shù)要較HRBF400級(jí)鋼筋低，即隨著鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的提高，承載力利用系數(shù)有所降低。

綜上所述，設(shè)計(jì)HRBF筋混凝土梁時(shí)，在滿足承載力和耐久性條件下可選用小直徑鋼筋、較小混凝土保護(hù)層厚度來提高構(gòu)件的承載力利用系數(shù)。

3 撓度性能

3.1 撓度計(jì)算

各試驗(yàn)梁在不同等級(jí)荷載作用下的撓度與跨度的比值如圖3所示。

鋼筋混凝土梁在長期荷載作用下的的撓度控制值f/l0≤1/200，試驗(yàn)為短期加載，無法考慮荷載的長期作用，取荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久值為標(biāo)準(zhǔn)值的80%、準(zhǔn)永久組合系數(shù)為0.8，2002版規(guī)范在計(jì)算變形時(shí)取荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合，可得在短期荷載作用下的撓度控制值為f/l0≤1/360。從圖3可以看出，HRBF400筋混凝土梁M/Mu在達(dá)到0.8時(shí)f/l0未超過限值，而HRBF500筋混凝土梁M/Mu在未達(dá)到0.8時(shí)f/l0已經(jīng)超過限值；新修訂的2010版規(guī)范為推廣細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋在工程中的應(yīng)用，在計(jì)算變形時(shí)取荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合，可得在短期荷載作用下的撓度控制值為f/l0≤1/400，從圖3可以看出，HRBF400筋混凝土梁M/Mu在達(dá)到064時(shí)f/l0未超過限值，而HRBF500筋混凝土梁M/Mu在未達(dá)到064時(shí)f/l0已經(jīng)超過限值。說明HRBF400筋混凝土梁的撓度能夠滿足規(guī)范要求，而HRBF500級(jí)混凝土梁不能夠滿足規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)對(duì)撓度進(jìn)行驗(yàn)算。

各試驗(yàn)梁在短期荷載作用下?lián)隙葘?shí)測值與根據(jù)規(guī)范計(jì)算的理論值對(duì)比見圖4（以試件B4D、B5D為例），其中，E表示試驗(yàn)實(shí)測值，T表示規(guī)范計(jì)算值。從圖4可以看出，理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值吻合較好，且規(guī)范計(jì)算值基本大于試驗(yàn)實(shí)測值，偏于安全。

3.2 撓度控制下承載力計(jì)算

為滿足正常使用條件下的適用性的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件其最大撓度進(jìn)行控制

同裂縫控制條件下構(gòu)件的承載力利用系數(shù)，可得撓度控制條件下構(gòu)件的承載力利用系數(shù)。由式（15）～（18）可計(jì)算得到不同高跨比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)下隨著配筋率的變化構(gòu)件的承載力利用系數(shù)。

圖5為HBRF400級(jí)鋼筋、HBRF500級(jí)鋼筋混凝土梁，高跨比分別取1/8、1/10，混凝土強(qiáng)度分別取C40、C50時(shí)，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)隨著配筋率變化曲線。由圖5可以看出，隨著配筋率的提高，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，構(gòu)件由承載力控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓳隙瓤刂?；隨著高跨比的減小，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)逐漸降低；混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的承載力利用系數(shù)影響不大； HRBF500級(jí)構(gòu)件的承載力利用系數(shù)較HRBF400級(jí)構(gòu)件低，即隨著鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的提高，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)有所降低。

4 延性及耗能性能

延性是指截面或構(gòu)件在承載能力沒有顯著下降的情況下承受變形有能力，或者說延性的含義是破壞以前截面或者構(gòu)件能承受很大的后期變形。常用來Δu/Δy、φu/φy，或者θ借助計(jì)算機(jī)計(jì)算程序，可求出彎矩曲率關(guān)系。將求得的數(shù)值代入式（19）求得構(gòu)件的延性u(píng)s隨配筋率ρ的變化如圖6所示，其中，C40 335表示混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、鋼筋強(qiáng)度為HRB335，其它類似。構(gòu)件截面尺寸采用本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸，材料強(qiáng)度均采用本次試驗(yàn)實(shí)測值。

普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求延性在3以上，根據(jù)圖6可以看出，在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)，HRBF筋混凝土梁的延性基本能滿足要求。

從圖7可以看出，HRBF筋混凝土梁的耗能能力在較低配筋率時(shí)與普通鋼筋混凝土梁相近，但隨著配筋率的提高，其耗能能力較普通鋼筋混凝土梁降低的快。HRBF筋混凝土梁在同等配筋率下其彈性階段的耗能能力要較普通鋼筋混凝土梁的耗能能力要高，且隨著配筋率的增大而提高。

5 結(jié) 論

1）HRBF筋混凝土梁在短期荷載作用下的最大裂縫寬度實(shí)測值滿足規(guī)范要求，但計(jì)算值不滿足。推導(dǎo)了HRBF筋混凝土梁在裂縫控制條件下的承載力計(jì)算公式，提出了構(gòu)件承載力利用系數(shù)的概念。分析表明隨著配筋率的增大，承載力利用系數(shù)逐漸提高，構(gòu)件由裂縫控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛沙休d力控制；隨著鋼筋直徑、混凝土保護(hù)層厚度的增大，承載力利用系數(shù)逐漸降低；混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)構(gòu)件承載力利用系數(shù)的影響不大；HRBF500級(jí)鋼筋承載力利用系數(shù)要較HRBF400級(jí)鋼筋低。

2）HRBF400級(jí)鋼筋混凝土梁在正常使用條件下的撓度能滿足規(guī)范要求，但HRBF500級(jí)鋼筋混凝土梁不能夠滿足規(guī)范要求。推導(dǎo)了撓度控制條件下的承載力計(jì)算公式。分析表明隨著配筋率的提高，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)逐漸降低并趨于穩(wěn)定，構(gòu)件由承載力控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓳隙瓤刂?；隨著高跨比的減小，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)逐漸降低；混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的承載力利用系數(shù)影響不大；隨著鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的提高，構(gòu)件的承載力利用系數(shù)有所降低。

3）建議在滿足承載力和耐久性的條件下可使用較小直徑的鋼筋、較小的混凝土保護(hù)層厚度以提高構(gòu)件的承載力利用系數(shù)。

4）在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)，HRBF筋混凝土梁的延性基本能滿足要求。HRBF筋混凝土梁的耗能能力在較低配筋率時(shí)與普通鋼筋混凝土梁相近，隨著配筋率的提高，其耗能能力較普通鋼筋混凝土梁降低的快，但同配筋率下，HRBF筋混凝土梁在彈性階段的耗能能力較普通鋼筋混凝土梁要高，且隨著配筋率的提高而增大。

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（編輯 王秀玲）