李楊，方治弘，夏海洋

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

2009年頒布的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興計劃》建議加速淘汰強度335MPa熱軋帶肋鋼筋及在地震多發(fā)地區(qū)結(jié)構(gòu)采用強度400MPa及以上強度鋼筋[1]；2015年修訂版的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策》提出了“大力推廣應(yīng)用高強度、耐腐蝕、耐高溫、長壽命等高性能鋼材，深入推廣400MPa鋼筋，試點示范使用500MPa及以上的高強抗震鋼筋、耐候耐火耐腐蝕鋼筋等”[2]；我國南海在進(jìn)行人工島礁建設(shè)，這促進(jìn)了抗腐蝕鋼筋的應(yīng)用；我國每年因鋼筋腐蝕而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失超過千億，因此使用抗腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有重要的意義[3]。由于目前國產(chǎn)的抗腐蝕鋼筋強度較高，但彈性模量較低，配置該類鋼筋構(gòu)件的受力性能，特別是受彎構(gòu)件裂縫寬度究竟如何至關(guān)重要。我國規(guī)范GB50010-2015使用的裂縫寬度計算公式是以配置HRB335MPa級鋼筋梁、以及一部分采用HPB235鋼筋梁的裂縫寬度試驗數(shù)據(jù)作為依據(jù)建立的。盡管在2010版規(guī)范修訂時，進(jìn)行了一批配置HRB500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度試驗，并根據(jù)與國外規(guī)范裂縫寬度計算公式對比分析的基礎(chǔ)上對我國規(guī)范的裂縫寬度計算公式進(jìn)行了修正，但公式是否適應(yīng)配置抗腐蝕500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度計算有待驗證；此外，其他國內(nèi)的規(guī)程以及國外主要規(guī)范的裂縫寬度計算公式是否滿足500MPa級抗腐蝕鋼筋梁裂縫寬度亦值得探索。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

本課題組采用的鋼筋類型為國產(chǎn)抗腐蝕鋼筋，鋼筋的名義屈服強度與我國HRB500MPa級鋼筋的屈服強度相近，但該鋼筋的性能與HRB鋼筋有明顯的不同[4]：

（1）與普通HRB系列鋼筋相比，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺；

（2）鋼筋沒有明顯的屈服點，非線性特征比HRB鋼筋明顯，鋼筋的比例極限約為名義屈服強度的36%～60%之間；

（3）鋼筋的彈性模量明顯比HRB鋼筋的低，約為110～150kPa。

本次試驗梁的試件信息如表1所示。

表1 試驗試件基本參數(shù)

1.2 加載與測量方案

在正式加載前進(jìn)行預(yù)加載。正式加載時，每加載一次在電腦上采集一次數(shù)據(jù)。正式加載時以0.6倍開裂荷載為界，0.6倍開裂荷載前，以每次0.2倍開裂荷載的速度進(jìn)行加載，達(dá)到0.6倍開裂荷載后，以每次0.1倍開裂荷載的速度進(jìn)行加載，直到試件開裂并找到開裂荷載。

當(dāng)荷載達(dá)到正常使用荷載時，持荷10min后量取裂縫間距并讀取裂縫寬度。為了比較完整地了解梁整個破壞過程的裂縫發(fā)展情況，即使在達(dá)到正常使用荷載之前，也每隔三級加載（即每隔0.15倍的極限荷載）測量一次裂縫寬度。試件的加載及測點布置如圖1所示。

圖1 試件的加載示意圖及測點布置圖

2 試驗結(jié)果

2.1 試件極限荷載及破壞形態(tài)

加載至0.4至0.6倍極限荷載時，梁的裂縫基本出齊。加載至1.0至1.2倍極限荷載時，梁的撓度已經(jīng)明顯增大，構(gòu)件接近破壞。隨著荷載的增加，梁的撓度和梁純彎段內(nèi)的主裂縫寬度急劇增加，受壓區(qū)的混凝土發(fā)生開裂脫落，梁隨即完全破壞。

各試件的開裂荷載、極限承載力及破壞荷載見表2。

表2 試件主要試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 裂縫計算模式

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》裂縫寬度計算考慮了構(gòu)件的受力方式、鋼筋等效應(yīng)力、混凝土邊緣厚度、縱向受拉鋼筋的直徑和配筋率等因素。通過試驗研究得出的規(guī)范裂縫寬度計算技術(shù)路線大體如下：先由試驗梁在正常使用荷載狀態(tài)下的裂縫間距及裂縫寬度試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計確定短期荷載作用下的平均裂縫間距，再考慮其他因素得出平均裂縫寬度；經(jīng)統(tǒng)計給出具有95%保證率下的裂縫寬度作為短期荷載作用下的最大裂縫寬度[4]。

3.2 試驗數(shù)據(jù)對比與分析

3.2.1 平均裂縫間距

本次試驗梁實測裂縫間距與規(guī)范公式計算值的比較見表3，所列的裂縫間距是裂縫出齊后的間距。表中n表示除去次生裂縫后的裂縫條數(shù)，即主裂縫條數(shù)。為平均裂縫間距實測值，為按規(guī)范GB50010-2010計算的平均裂縫間距。

表3 正常使用加載下試驗梁平均裂縫間距比較

由表3的變異系數(shù)為0.249可知：四根試驗梁實測值離散性較大，與規(guī)范公式計算值吻合度不高。這與本次試驗數(shù)據(jù)太少有關(guān)，建議增多該類型鋼筋梁的試驗以確定裂縫間距的分布規(guī)律。

3.2.2 裂縫寬度計算值與實測值的比較

圖2裂縫寬度計算值與實測值的比較

（2）對受彎構(gòu)件，規(guī)范給出的短期裂縫寬度擴(kuò)大系數(shù)τs為1.66。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)正態(tài)分布函數(shù)，當(dāng)保證率為95%時，=+1.645σ。本試驗中L-4、L-10和L-11的分別為0.249、0.182和0.217，σ為0.061、0.052和0.073。故可得出三根試驗梁的擴(kuò)大系數(shù)τs為1.406、1.472和1.552?？梢姡囼灹旱摩觭與規(guī)范相差較大，應(yīng)該加以修正。

3.2.3 采用其他規(guī)范計算結(jié)果對比

現(xiàn)在國內(nèi)外使用的規(guī)范、規(guī)程的裂縫計算公式對配置500MPa抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度的計算公式修改具有指導(dǎo)意義，因此將試驗梁數(shù)據(jù)帶入規(guī)范、規(guī)程公式進(jìn)行計算和對比，得到圖3。

圖3 規(guī)范計算裂縫寬度與實測寬度對比圖

考慮到各規(guī)范、規(guī)程的裂縫計算公式考慮因素不同可能會對裂縫寬度的計算準(zhǔn)確性造成影響，因此綜合各個規(guī)范裂縫計算公式相關(guān)因素進(jìn)行統(tǒng)計列表，見表4，從變化的影響裂縫開展的因素中找出可修正的相關(guān)因素前的系數(shù)。參考的規(guī)范有：規(guī)范GB 50010-2010[5]，規(guī)范SL191—2008[6]，規(guī)范TB 10092-2017[7]，規(guī)范JTG-2012[8]，規(guī)范EN1992-1-1[9]，規(guī)范ACI318-14[10]。

表4 國內(nèi)外規(guī)范（規(guī)程）公式考慮因素

由圖3可知，規(guī)范GB 50010-2010的計算裂縫寬度在L10的裂縫寬度上符合較好，但是L11上明顯偏大；歐洲規(guī)范EN1992-1-1短期裂縫的計算公式計算結(jié)果在L10上明顯偏大，但是在L11上符合較好；L-4的波動性較強，但是還是在兩規(guī)范計算寬度的包絡(luò)內(nèi)?？傮w來說，規(guī)范GB 50010-2010以及規(guī)范EN 1992-1-1都較實際結(jié)果偏于保守，但是不經(jīng)濟(jì)；表4表明GB 50010-2010與EN 1992-1-1在計算裂縫時考慮了幾乎所有因素變化的影響，因此在計算理論裂縫寬度時具有較高的準(zhǔn)確性。所以建議根據(jù)EN 1992-1-1以及GB 50010-2010對適應(yīng)配置500MPa級抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度計算公式進(jìn)行修改。

縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ反映了裂縫間受拉混凝土對構(gòu)件受拉力所做的貢獻(xiàn)，ψ越大，反映混凝土參與受拉工作程度越大。肋紋越淺，鋼筋與混凝土的結(jié)合越弱，混凝土參與受拉工作的程度越低。ψ為試驗擬合得出，我國規(guī)范的裂縫研究又是基于低強度的普通鋼筋，考慮到修正ψ的困難，且構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr也可以反映到ψ中，因此可以考慮從αcr中修正。由于抗腐蝕鋼筋的彈性模量大致為普通鋼筋50%，鋼筋表面為了防腐做的比有浮銹的鋼筋更為光滑且生產(chǎn)的肋紋較淺，因此規(guī)范得出的計算值較裂縫寬度實測值大，為充分利用該鋼筋的抗腐蝕特性，且滿足實際運用，可以考慮放寬裂縫寬度限值至一類環(huán)境的允許限值0.3mm。

由于本次試件數(shù)梁少，有效的試驗數(shù)據(jù)不多，主要是發(fā)現(xiàn)了采用強度高、但彈性模量偏低的抗腐蝕鋼筋，在正常使用荷載作用下梁的裂縫寬度將會明顯增大，若后續(xù)研究工作能得到支持，將對影響抗腐蝕鋼筋梁的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計回歸，擬合出適用于配置抗腐蝕鋼筋構(gòu)件的相關(guān)裂縫寬度計算公式，至于配置這類鋼筋梁的裂縫寬度的限值，則需要今后開展相關(guān)的研究工作。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）試驗梁的擴(kuò)大系數(shù)τs為1.406、1.472和1.552，試驗梁的擴(kuò)大系數(shù)與規(guī)范的擴(kuò)大系數(shù)τs=1.66相差較大，應(yīng)該加以修正；

（2）根據(jù)各國規(guī)范公式計算的裂縫寬度與試驗結(jié)果的對比情況，建議參照規(guī)范GB 50010-2015和規(guī)范EN 1992-1-1對配置500MPa級抗腐蝕鋼筋的裂縫公式進(jìn)行修正；

（3）考慮到抗腐蝕鋼筋的彈性模量偏低，且肋光滑、無浮銹，建議修小構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr；

（4）為了充分發(fā)揮鋼筋的抗腐蝕性能，可以放寬配置抗腐蝕鋼筋的構(gòu)件裂縫寬度限值至0.3mm；

（5）建議增多對配置抗腐蝕鋼筋梁的研究，以進(jìn)一步修正和完善規(guī)范的裂縫計算公式。