鄭文忠，呂雪源，王　英，谷　勇，杜江月

(結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090 哈爾濱)

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冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板抗彎性能試驗

鄭文忠，呂雪源，王英，谷勇，杜江月

(結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090 哈爾濱)

摘要:為研究冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板的抗彎性能，通過拉伸試驗，獲得了CRB600H與CRB550冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)；進(jìn)行了32塊冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板的受彎性能試驗，測定了試驗板的開裂彎矩、裂縫分布情況、變形發(fā)展規(guī)律和正截面承載力.研究結(jié)果表明：焊點未對CRB600H與CRB550冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生影響；橫向鋼筋對試驗板的開裂彎矩、裂縫間距和裂縫寬度無明顯影響.建立了這類板的短期剛度計算公式，與普通混凝土板相比，這類板的抗彎剛度高約10%.根據(jù)配置CRB600H和CRB550鋼筋網(wǎng)試驗板的破壞模式，提出了這兩種板正截面承載力的計算方法.

關(guān)鍵詞:CRB600H鋼筋；CRB550鋼筋；焊接鋼筋網(wǎng)；承載力；剛度；裂縫

冷軋帶肋鋼筋是上世紀(jì)60年代首先在德國、荷蘭和比利時研制成功，而后得到廣泛應(yīng)用的一種高效建筑鋼材[1].中國于上世紀(jì)80年代后期開始引進(jìn)冷軋帶肋鋼筋生產(chǎn)設(shè)備，目前在預(yù)制構(gòu)件中已逐步取代冷拔低碳鋼絲，并在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中也有較多應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)用于現(xiàn)澆樓蓋中時，可節(jié)約35%～40%的鋼材[2-3].與普通冷加工鋼筋相比，冷軋帶肋鋼筋具有良好的延伸率，機械加工性能和可焊性[4].冷軋帶肋鋼筋可焊接為鋼筋網(wǎng)，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場人工綁扎鋼筋相比，采用鋼筋焊接網(wǎng)施工機械化程度高，具有高效、準(zhǔn)確和流水線作業(yè)的特點，可有效降低成本和加快工程進(jìn)度.由于橫向鋼筋與縱向鋼筋成為整體，鋼筋焊接網(wǎng)與混凝土的錨固性能好[5-6]，整體應(yīng)力傳遞更為均勻[7-8].在國外，冷加工鋼筋焊接網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于樓板、剪力墻、橋梁和高速公路中[9].在國內(nèi)，將冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)應(yīng)用于剪力墻中已有較多研究[10-11]，而板類構(gòu)件受彎和滯回性能的研究尚少，目前作為非抗震構(gòu)件使用.

本研究對配置CRB600H和CRB550兩類冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)板的受彎性能進(jìn)行探討.通過鋼筋材性拉伸試驗，獲得了CRB600H鋼筋、CRB550鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而得到了CRB600H、CRB550鋼筋的屈服強度、極限強度、彈性模量、最大力伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)；完成了32塊CRB600H、CRB550鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板的抗彎性能試驗，提出了適用于CRB600H及CRB550冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板的正截面承載力、短期剛度及裂縫寬度計算公式.

1鋼筋力學(xué)性能

1.1試驗設(shè)備和試件

采用WDW-100型萬能試驗機進(jìn)行鋼筋拉伸性能試驗，試驗機額定荷載100 kN，力測量精度優(yōu)于0.1 kN，引伸計精度優(yōu)于1×10-3mm.

分別對CRB600H和CRB550兩種鋼筋進(jìn)行試驗.鋼筋直徑有8、10、12 mm三種，各直徑鋼筋分為無焊點(一字型)和有焊點(十字形)兩類.

1.2試驗結(jié)果

按文獻(xiàn)[12]規(guī)定的方法進(jìn)行鋼筋拉伸試驗.CRB600H與CRB550鋼筋的典型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖1.初始加載階段，CRB600H鋼筋為彈性，達(dá)到屈服應(yīng)力時，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)上下波動，之后鋼筋的應(yīng)變持續(xù)增長而應(yīng)力基本保持不變，有明顯的屈服平臺.超過屈服階段后，鋼筋進(jìn)入強化階段，其應(yīng)力隨應(yīng)變增大而提高.達(dá)到極限應(yīng)力后，鋼筋局部出現(xiàn)頸縮，直至斷裂.CRB600H鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與熱軋鋼筋相似.與CRB600H鋼筋相比，CRB550鋼筋無明顯屈服點，其最大力伸長率和斷后總伸長率均小于CRB600H鋼筋.達(dá)到極限應(yīng)力后，鋼筋局部出現(xiàn)頸縮，隨后斷裂.CRB600H鋼筋的斷裂處頸縮明顯，斷口呈“V”型或斜面型.CRB550鋼筋斷口特征與CRB600H鋼筋相同，但斷面收縮率較小.

圖1　鋼筋典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗結(jié)果表明，無焊點和有焊點鋼筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線相同，焊點對鋼筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線無影響，鋼筋的斷裂截面均在非焊點處，表明采用電阻點焊的焊接接頭對鋼筋抗拉強度無削弱.鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)見表1.

表1　冷軋鋼筋力學(xué)性能

注：Es為彈性模量；fy為屈服強度(CRB550鋼筋為殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時的名義屈服強度)；fu為抗拉強度；Agt為最大力伸長率；At為斷后總伸長率(標(biāo)距5d)；Z為斷面收縮率.

2鋼筋焊接網(wǎng)抗彎性能試驗

2.1試驗方案

共設(shè)計32塊冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板，試驗板長度均為3 300 mm，寬度為700 mm，縱筋保護(hù)層厚度為20 mm，其配筋情況和相關(guān)參數(shù)列于表2.其中B1-1～B2-8配置CRB600H鋼筋；B3-1～B4-8配置CRB550鋼筋.

為便于觀測板底裂縫，采用倒置的簡支加載方式.在試驗板純彎段內(nèi)的縱筋上布置鋼筋應(yīng)變片，在試驗板受壓區(qū)布置混凝土應(yīng)變片，分別用以測量鋼筋和混凝土應(yīng)變.在試驗板加載點、跨中和支座處安裝位移計傳感器共10個，位移測點沿板寬方向距板邊緣100 mm.加載裝置見圖2.

圖2　試驗裝置布置(mm)

2.2試驗現(xiàn)象和結(jié)果

試驗板開裂之前跨中位移與荷載之間呈線性關(guān)系.加載至15%～30%Pu時，試驗板受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條(或第一批)裂縫，裂縫首次出現(xiàn)的位置一般在靠近支座的純彎段內(nèi).首批裂縫出現(xiàn)之后，試驗板的跨中位移隨荷載增長較之前加快，荷載-位移曲線發(fā)生第一次偏折.當(dāng)荷載達(dá)到40%～60%Pu時，純彎段內(nèi)的裂縫出齊且多數(shù)貫通，剪彎段內(nèi)仍有新裂縫出現(xiàn)，縫寬度隨荷載提高不斷增長.當(dāng)荷載達(dá)到70%～85%Pu時，純彎段裂縫全部貫通，剪彎段裂縫基本出齊.加載至90%～95%Pu時，試驗板內(nèi)縱筋發(fā)生屈服，鋼筋應(yīng)變急劇增大，裂縫寬度和跨中位移迅速發(fā)展，試件的荷載-位移曲線發(fā)生第二次偏折.在繼續(xù)加載至Pu的過程中，試驗板受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生剝落和掉渣現(xiàn)象，達(dá)到Pu后，配置CRB600H鋼筋的試驗板多因混凝土被壓碎而破壞；配置CRB550鋼筋的試驗板多因鋼筋被拉斷而破壞.試驗結(jié)果見表3，荷載撓度曲線見圖3、4.

表2　試驗板參數(shù)

表3　試驗結(jié)果　kN·m

注：fcu,m為與試驗板同條件養(yǎng)護(hù)的150 mm×150 mm×150 mm混凝土試塊抗壓強度,Mcr為開裂彎矩,Mu為極限彎矩,單位均為kN·m；破壞狀態(tài)中,(1)為壓區(qū)混凝土被壓碎，(2)為部分鋼筋被拉斷，(3)為全部鋼筋被拉斷.

圖3　C20混凝土試驗板荷載-撓度曲線

圖4　C30混凝土試驗板荷載-撓度曲線

3試驗結(jié)果分析

3.1開裂彎矩分析

受彎構(gòu)件截面抵抗矩塑性影響系數(shù)主要與縱向受拉鋼筋配筋率、截面高度、混凝土強度等因素有關(guān)[13]，文獻(xiàn)[14]采用以下公式計算截面抵抗矩塑性影響系數(shù)：

(1)

式中:h<400 mm時，取h=400 mm；對矩形截面取γm=1.55，可計算出γ=1.55.

開裂彎矩計算公式為

(2)

式中W0是將混凝土板中鋼筋面積折算為混凝土后的換算截面的截面抵抗矩.

3.2正截面受彎承載力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，焊接鋼筋網(wǎng)混凝土受彎構(gòu)件的受彎承載力可按式(3)計算：

(3)

式中:Mu為試件的受彎承載力；fc為混凝土軸心抗壓強度；α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與fc之比，當(dāng)混凝土強度等級不超過C50時，取1.0；b為板寬；x為混凝土等效受壓區(qū)高度；h0為截面有效高度；fy為鋼筋屈服強度(CRB550鋼筋取其抗拉強度).

表4　正截面承載力計算值與實測值對比

上述分析結(jié)果表明，配置CRB600H鋼筋焊接網(wǎng)的混凝土板正截面承載力可按現(xiàn)行規(guī)范[15]計算.為偏于安全，對于配置CRB550鋼筋焊接網(wǎng)的混凝土板正截面承載力，在設(shè)計計算中應(yīng)取鋼筋的名義屈服強度.

3.3短期抗彎剛度分析

由抗彎剛度的定義和理論分析可知，試驗板的短期抗彎剛度可根據(jù)文獻(xiàn)[14]計算為

(4)

式中：As為受拉鋼筋截面面積，h0為截面有效高度，ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，式中ρ為受拉鋼筋配筋率，η為內(nèi)力臂系數(shù).

當(dāng)已知混凝土彈性模量、受拉縱筋的面積、試驗板尺寸等條件時，確定ζ、η和ψ3個參數(shù)取值，即可計算受彎構(gòu)件的短期剛度.

3.3.1受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變綜合系數(shù)ζ

由文獻(xiàn)[14]可知，受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變綜合系數(shù)的表達(dá)式為

(5)

(6)

3.3.2內(nèi)力臂系數(shù)η

在短期荷載作用下，當(dāng)Mcr≤M≤My時，開裂截面的內(nèi)力臂基本不變.由文獻(xiàn)[16]可知，普通混凝土受彎構(gòu)件內(nèi)力臂系數(shù)的計算公式為

(7)

混凝土受彎構(gòu)件的η一般為0.83～0.93[17].由式(7)可得本研究中試驗板的內(nèi)力臂系數(shù)為0.859～0.962(平均值為0.918)，符合一般規(guī)律.內(nèi)力臂系數(shù)計算值與實測值比值(ηc/ηt)的平均值為1.01，變異系數(shù)δ=0.025.試驗值與計算值吻合良好,內(nèi)力臂系數(shù)可按式(7)計算.

3.3.3鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ

(8)

式中:α為系數(shù)，對板類構(gòu)件取α=1.05；ft為混凝土抗拉強度值；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;σs為裂縫截面處受拉鋼筋應(yīng)力.

將按照式(6)～(8)計算得到的ζ、η和ψ代入式(4)可得到試驗板的短期剛度.與試驗板的實測值進(jìn)行對比，當(dāng)Mcr≤M≤My時，可得冷軋帶肋鋼筋焊接網(wǎng)混凝土板短期剛度計算公式為

(9)

3.4裂縫分析

3.4.1平均裂縫間距

由文獻(xiàn)[14]可知，混凝土板的平均裂縫間距計算公式為

(10)

式中:c為混凝土保護(hù)層厚度,deq為受拉區(qū)縱向鋼筋等效直徑.

3.4.2平均裂縫寬度

由文獻(xiàn)[14]可知，受彎構(gòu)件板側(cè)鋼筋重心高度處平均裂縫寬度為

(11)

式中αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù).

由試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸可得αcr=0.73，即這類板的平均裂縫寬度為

(12)

3.4.3最大裂縫寬度

參照文獻(xiàn)[14]，冷軋帶肋鋼筋混焊接網(wǎng)混凝土板的短期最大裂縫寬度ws,max可由平均裂縫寬度wm乘以反映裂縫寬度不均勻性的放大系數(shù)τs得到：

(13)

對32塊試驗板6 184個數(shù)據(jù)點進(jìn)行統(tǒng)計后得出，各級荷載作用下，試驗板的各條裂縫寬度τi與平均裂縫寬度τm的比值近似服從標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.37的正態(tài)分布.故當(dāng)裂縫寬度保證率為95%時，τs=1.62.由于未進(jìn)行長期持荷試驗，考慮荷載長期作用影響的擴(kuò)大系數(shù)可暫取為τl=1.5[14].

根據(jù)上述分析，配置CRB600H與CRB550鋼筋的焊接網(wǎng)混凝土板考慮荷載長期作用影響的最大裂縫寬度計算公式為

(14)

4結(jié)論

1)CRB600H鋼筋有明顯屈服點，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與熱軋鋼筋相似，而CRB550鋼筋無明顯屈服點.未發(fā)現(xiàn)電阻焊點對這兩種鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生影響.

2)橫向鋼筋對試驗板的開裂彎矩、裂縫間距和裂縫寬度無明顯影響，這類板的上述指標(biāo)仍可按現(xiàn)行規(guī)范計算，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好.

3)基于試驗結(jié)果，獲得了這類板受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變綜合系數(shù)、內(nèi)力臂系數(shù)和鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)的計算方法，提出了這類板開裂后到鋼筋屈服前的短期剛度計算公式.

4)配置CRB600H鋼筋網(wǎng)的試驗板多因混凝土被壓碎而破壞；配置CRB550鋼筋網(wǎng)的試驗板多為縱向鋼筋被拉斷而破壞.基于試驗結(jié)果提出了考慮這類破壞模式的正截面承載力計算方法.

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(編輯趙麗瑩)

Flexural behavior of slabs reinforced with cold-rolled ribbed welded steel fabric

ZHENG Wenzhong, Lü Xueyuan, WANG Ying, GU Yong, DU Jiangyue

(Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control (Harbin Institute of Technology),Ministry of Education, 150090 Harbin, China)

Abstract:The mechanical property indexes of 600 MPa and 550 MPa cold-rolled ribbed steel wires were determined through tensile test, and the cracking moment, crack distribution, deflection under different loads and normal section bearing capacity were studied through 32 slabs reinforced with cold-rolled ribbed welded steel fabric to investigate the flexural behavior of slabs reinforced with cold-rolled ribbed welded steel fabric. The results showed that solder joints had no influence on the mechanical properties of 600 MPa and 550 MPa cold-rolled ribbed steel wires. Transverse reinforcements in fabric had little effect on the cracking moment, crack spacing and crack width of this type of slabs. The short-term flexural rigidity equations were established, the flexural rigidity of this type of slabs was 10% greater than ordinary concrete slabs. Based on the failure mode of slabs reinforced with 600 MPa and 550 MPa cold-rolled ribbed steel wires, the calculation method of normal section bearing capacity was proposed.

Keywords:CRB600H;CRB550; welded steel fabric; normal section bearing capacity; stiffness; crack

中圖分類號:TU378.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0075-06

通信作者:呂雪源，lv_xueyuan@126.com.

作者簡介:鄭文忠(1965—)，男，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授.

基金項目:《鋼筋焊接網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ114-2003)修訂基礎(chǔ)研究課題；國家教育部長江學(xué)者獎勵計劃(2009-37)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)"985工程"優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)項目(2011)；黑龍江省自然科學(xué)基金(E200916).

收稿日期:2015-01-15.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.012