唐昌輝，陳盈利

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

CRB600H高延性冷軋帶肋高強(qiáng)鋼筋具有較好的延性和性價比，推廣應(yīng)用前景廣闊[1-5]。通過對配置CRB600H高延性冷軋帶肋鋼筋的8根混凝土簡支梁和配置HRB400級鋼筋的1根混凝土簡支梁的受彎性能試驗，研究配置CRB600H高延性冷軋帶肋鋼筋混凝土少筋、適筋和超筋梁的破壞特征、裂縫發(fā)展與分布規(guī)律、抗彎剛度、開裂和極限彎矩等受彎性能，以期達(dá)到獲得試驗數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用的目的。

1 試件制作與加載裝置

1.1 試件的設(shè)計

鋼筋采用湖南省岳陽市生產(chǎn)的CRB600H高延性冷軋帶肋鋼筋，鋼筋交貨為盤條狀態(tài)，用無拉力鋼筋調(diào)直機(jī)調(diào)直后鋼筋進(jìn)行了拉伸試驗，結(jié)果表明，CRB600H鋼筋具有明顯屈服點，臨近拉斷時具有明顯頸縮，其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于540 MPa，極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于600 MPa，均勻伸長率大于5%。試驗所用鋼筋的力學(xué)性能如表1所示。

表1 鋼筋的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of steel鋼筋種類屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa斷后伸長率δ5/%均勻伸長率δgt/%ARH861071415.337.02ARH1060369716.647.10ARH12549.566714.338.54C1243161323.5112.87

試驗制作了8根CRB600H級鋼筋混凝土梁，其中，L1為少筋梁，L3為超筋梁，其他構(gòu)件均為適筋梁。此外，還制作了1根HRB400級鋼筋混凝土試驗梁。試驗梁的截面設(shè)計尺寸均為200 mm×400 mm，跨度為3 500 mm，架立筋為2ARH8，箍筋為ARH6@120，保護(hù)層厚度為20 mm。L1～L2和L4～L9縱筋均單筋單排布置，L3的縱筋采用并筋雙排布置，試驗梁的編號和參數(shù)見表2。

表2 梁的試驗參數(shù)Table 2 Test parameters of the beams構(gòu)件混凝土強(qiáng)度/(N·mm-2)實測截面尺寸/mm2縱筋配筋率ρ/%L136.63209×4062ARH100.19L236.63201×4033ARH100.32L336.07204×40612ARH121.99L422.04200×4073ARH120.45L528.85200×4023ARH120.46L638.68201×4023ARH120.46L737.89204×4043ARH120.45L836.63200×4043ARH120.46L936.63200×4023C120.46

1.2 試件制作與加載裝置

試件在湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點實驗室完成，混凝土采用機(jī)械攪拌，試驗梁的應(yīng)變片布置如圖1所示。試驗采用三分點加載，試驗梁的計算跨度為3 200 mm，試驗采用荷載控制的單調(diào)加載，每級加載持荷約10 min，記錄每級荷載作用下的百分表讀數(shù)，鋼筋和混凝土的應(yīng)變數(shù)據(jù)并觀測記錄裂縫的開展情況和破壞形態(tài)[6-9]。加載裝置如圖2所示。

圖1 構(gòu)件截面示意圖

圖2 加載裝置示意

2 試驗現(xiàn)象分析

2.1 裂縫分布狀態(tài)與破壞形態(tài)

9根試驗梁的破壞狀態(tài)與破壞形態(tài)如圖3所示。由圖3可以看出，少筋梁L1受拉區(qū)混凝土一旦開裂，裂縫高度增長很快，隨即試驗梁發(fā)生破壞，破壞無明顯預(yù)兆，呈脆性，與適筋梁L2比較裂縫根數(shù)明顯減少；而超筋梁L3在發(fā)生破壞時受壓混凝土被壓碎，鋼筋未屈服，破壞無明顯預(yù)兆，呈脆性，與適筋梁比較，裂縫分布細(xì)而密。

圖3 試驗梁的裂縫分布與破壞形態(tài)

配置CRB600H級鋼筋的試驗梁L4～L8為適筋梁，配筋相同，但混凝土強(qiáng)度不同，在構(gòu)件的純彎區(qū)段內(nèi)的平均裂縫間距在142～150 mm之間，在準(zhǔn)永久荷載組合值作用下實測裂縫寬度最大值為0.15 mm，最小值為0.11 mm，平均值為0.136 mm，由此可見，配筋相同，混凝土強(qiáng)度不同的CRB600H鋼筋混凝土梁的裂縫間距和短期最大裂縫寬度相差不大。

少筋梁L1在純彎區(qū)段內(nèi)的平均裂縫間距為205 mm，比適筋構(gòu)件稀疏，在準(zhǔn)永久荷載組合值作用下實測裂縫寬度最大值為0.01 mm。超筋梁L3的純彎段內(nèi)的平均裂縫間距為100 mm，比適筋構(gòu)件密，在準(zhǔn)永久荷載組合值作用下實測裂縫寬度最大值為0.11 mm。

配置HRB400級鋼筋的L9平均裂縫間距為147 mm，在準(zhǔn)永久荷載組合值作用下實測裂縫寬度最大值為0.10 mm，與相同配筋和混凝土強(qiáng)度的CRB600H鋼筋混凝土梁裂縫間距基本一致，但裂縫寬度比配置CRB600H級鋼筋的試驗梁實測裂縫寬度平均值小0.036 mm。

2.2 適筋構(gòu)件的彎矩-撓度曲線

圖4是適筋的試驗梁的彎矩-撓度曲線，從圖中可以看出，配置CRB600H鋼筋的適筋梁L2、L4-L8與配置HRB400級鋼筋的L9的受彎特性類似，彎矩-撓度曲線如圖呈三折線，具有較明顯的開裂、鋼筋屈服和破壞3個特征點。

圖4 適筋梁的彎矩-跨中撓度曲線

構(gòu)件從加載到開裂，彎矩-跨中撓度曲線基本為直線，構(gòu)件處于彈性受力階段；開裂后出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折，進(jìn)入彈塑性受力階段，構(gòu)件裂縫數(shù)量逐漸增加，裂縫寬度增大，彎矩繼續(xù)增大，裂縫根數(shù)趨于穩(wěn)定，裂縫寬度加大，裂縫高度增高，隨著荷載繼續(xù)增加，彎矩-跨中撓度曲線出現(xiàn)了第二次轉(zhuǎn)折，彎矩-撓度曲線在鋼筋屈服后，試驗梁強(qiáng)化段比較平緩，繼續(xù)加載，構(gòu)件撓度增加較快，最后受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變而壓碎，構(gòu)件破壞。

圖5為少筋梁L1、超筋梁L3和適筋梁L8的彎矩-撓度曲線的對比圖，少筋梁L1和超筋梁L3的彎矩?fù)隙惹€均呈兩折線型，以構(gòu)件開裂為轉(zhuǎn)折點。少筋構(gòu)件L1一旦開裂隨即破壞，超筋構(gòu)件L3以受壓區(qū)混凝土壓潰而破壞，破壞無明顯預(yù)兆。

圖5 L1、L3和L8的彎矩-跨中撓度曲線

2.3 構(gòu)件的彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線

圖6為適筋梁彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線。梁試件鋼筋應(yīng)變?nèi)⊥鈧?cè)兩根鋼筋的應(yīng)變平均值，如應(yīng)變片布置圖1所示。從圖6可以看出適筋梁彎矩-鋼筋平應(yīng)變曲線與彎矩-撓度曲線相似，呈三折線型，具有較明顯開裂、鋼筋屈服和破壞3個特征點[10]。

圖6 適筋梁的彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線

圖7中少筋梁L1、超筋梁L3的彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線呈兩折線型，以構(gòu)件開裂為轉(zhuǎn)折點。CRB600H鋼筋的屈服應(yīng)變?yōu)?.002 8，少筋梁L1在鋼筋達(dá)到屈服后，裂縫迅速發(fā)展至破壞；超筋梁L3在鋼筋應(yīng)變?yōu)?.002 4，鋼筋未達(dá)到屈服時，受壓混凝土壓碎破壞；適筋梁L8的鋼筋應(yīng)變?yōu)?.013，達(dá)到其極限承載力。

圖7 L1、L3和L8的彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線

3 開裂彎矩和正截面承載力分析

分析結(jié)果表明，CRB600H鋼筋混凝土試驗梁的極限彎矩試驗結(jié)果比按我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[3，14]計算的結(jié)果稍大，說明CRB600H鋼筋混凝土梁的極限彎矩計算偏于安全。

表3 試驗實測和分析數(shù)據(jù)Table 3 The measured and analyzed data of the test編號Mtcr/(kN·m)Mccr/(kN·m)Mtu/(kN·m)Mcu/(kN·m)Mcq/(kN·m)L115.8822.0237.1933.4715.82L219.9322.456.1349.3023.38L323.225.12181.76162.0080.15L430.527.6973.0867.7132.68L515.7217.5774.5268.3032.76L620.0919.8979.1569.6133.21L721.1523.4877.0369.9933.39L821.4323.7776.2769.7833.32L916.1822.9154.2851.9227.93ltm/mmlcm/mmwtmax/mmwcmax/mmatf/mmacf/mm205129.40.010.1530.413.90146129.40.130.1512.214.0387.591.030.110.1436.416.76142.9145.40.150.1914.534.45148.6145.40.150.1813.784.41146.4145.40.140.1613.904.11146.4145.40.110.1633.774.10150145.40.130.1654.134.15147145.40.100.1082.612.99

4 裂縫與撓度分析

4.1 裂縫分析

受彎構(gòu)件的平均裂縫間距的計算從文獻(xiàn)[3]中可知，如下公式：

lm=1.9cs+0.08deq/ρte

(1)

式中:cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；deq為縱向受拉鋼筋等效直徑；ρte為有效縱向受拉鋼筋配筋率。

由文獻(xiàn)[3]可知，冷軋帶肋鋼筋混凝土受彎梁構(gòu)件鋼筋重心高度處的最大裂縫寬度按如下公式計算：

wmax=αcrψσslm/τlEs

(2)

ψ=1.1-0.65ftk/(ρteσsq)

(3)

式中:τl為長期荷載作用裂縫寬度的增大系數(shù)，取1.5；αcr為受力特征系數(shù)，取1.9；Es為鋼筋彈性模量；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σsq為按荷載準(zhǔn)永久組合計算的縱向受拉鋼筋等效應(yīng)力。

4.2 撓度分析

試驗梁的撓度采用最小剛度法計算，構(gòu)件開裂后的短期剛度按參考文獻(xiàn)[3]中的式(4)計算：

(4)

式中:αE為鋼筋和混凝土的彈性模量比值；As為縱向受拉鋼筋面積；h0為截面有效高度；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率；其他字符含義同上。

5 結(jié)論

a.試驗結(jié)果表明，配置CRB600H級鋼筋混凝土適筋梁與普通混凝土適筋梁的彎矩-撓度曲線類似，呈三折線型，具有較明顯的開裂、鋼筋屈服和破壞3個特征點。配置CRB600H級鋼筋混凝土的少筋梁和超筋梁與適筋梁的受力特征界限較明顯，其受彎性能與普通混凝土的少筋梁和超筋梁類似。

b.配筋相同，混凝土強(qiáng)度不同的CRB600H鋼筋混凝土梁的平均裂縫間距和準(zhǔn)永久荷載組合作用下的短期最大裂縫寬度相差不大。

c.配置CRB600H級鋼筋混凝土適筋梁的實測極限彎矩比按我國現(xiàn)行規(guī)范計算的極限彎矩值稍大，具有一定安全儲備。