王洋嵩 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)向高聳、大跨、重載方向發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)階段最主要的結(jié)構(gòu)形式之一，在建筑領(lǐng)域使用較多。作為高強(qiáng)度節(jié)能環(huán)保材料的高強(qiáng)鋼筋，能夠大大降低工程成本，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。一定程度上降低物流運(yùn)輸和建筑鋼筋焊接、加工的工作量[2]。因此，開(kāi)展高強(qiáng)度鋼筋的研發(fā)與應(yīng)用勢(shì)在必行。

當(dāng)前，我國(guó)工程結(jié)構(gòu)正處于急速變革中，強(qiáng)度為500 MPa 級(jí)以下的普通鋼筋已經(jīng)無(wú)法滿足工程發(fā)展的要求，因此迫切需要使用高強(qiáng)鋼筋混凝土材料。目前HRB500 級(jí)高強(qiáng)鋼筋已經(jīng)納入《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）[3]中，而600 MPa 級(jí)以上的熱軋高強(qiáng)鋼筋僅納入《鋼筋混凝土用鋼第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2-2018）[4]中，尚未明確其在構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用規(guī)定。這在一定程度上限制了600 MPa 級(jí)熱軋高強(qiáng)鋼筋在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用。為此，部分學(xué)者相繼對(duì)600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼筋在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力性能展開(kāi)了研究，然而當(dāng)前研究主要集中在構(gòu)件的軸壓[5-7]、偏壓[8-10]、抗震性能[11-12]以及高強(qiáng)鋼筋的連接錨固性能[13-14]。此外，上述文獻(xiàn)研究的600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼筋多采用熱處理或冷軋工藝加工生產(chǎn)，在性能質(zhì)量上存在一定缺陷。相比而言，采用熱軋工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼筋，其屈服點(diǎn)和流幅明顯，塑性韌性優(yōu)越，且有良好的可焊性能。但目前對(duì)采用600 MPa級(jí)以上熱軋高強(qiáng)鋼筋的混凝土構(gòu)件受力性能研究較少，極大地限制了其在實(shí)際工程中的推廣與應(yīng)用。

本文介紹的新型熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋，是一種通過(guò)熱軋工藝得到的微合金化建筑金屬材料，其屈服強(qiáng)度在635 MPa 以上，具有強(qiáng)度高、延性好、流幅和屈服點(diǎn)明顯等顯著優(yōu)勢(shì)。為研究其在鋼筋混凝土梁中的抗彎性能，本文通過(guò)ABAQUS 軟件，建立熱軋高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎有限元分析模型，研究了混凝土強(qiáng)度、配筋率、縱筋強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)其抗彎承載力的影響，研究結(jié)論可為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 高強(qiáng)鋼筋材料性能

本文介紹的新型高強(qiáng)鋼筋是通過(guò)熱軋成型，并采用控制溫度冷卻的方式得到的微合金化成品鋼筋,具有強(qiáng)度高、流幅和屈服點(diǎn)明顯、塑性韌性優(yōu)越等明顯優(yōu)勢(shì)。具體的生產(chǎn)工藝及步驟包括頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，吹氬、LF 精煉，六機(jī)六流方坯連鑄，步進(jìn)梁式加熱爐加熱，連續(xù)棒材軋機(jī)成材，冷床自然降溫。

通過(guò)上述工藝，鋼筋斷面晶體結(jié)構(gòu)形式均表現(xiàn)為“鐵素體+珠光體”，且晶粒細(xì)度均為10 級(jí)，具備優(yōu)越和穩(wěn)定的力學(xué)性能。為測(cè)定鋼筋的材料力學(xué)性能，對(duì)直徑為8～20 mm 的鋼筋分別進(jìn)行母材拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量和斷后伸長(zhǎng)率。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高強(qiáng)鋼筋力學(xué)性能

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文介紹的新型熱軋高強(qiáng)鋼筋斷后伸長(zhǎng)率均大于9%，極限抗拉強(qiáng)度在900 MPa 左右，屈服強(qiáng)度均高于635 MPa，彈性模型在2.0×105MPa 左右。該鋼筋強(qiáng)度高、延性好，強(qiáng)屈比均大于1.25，強(qiáng)度儲(chǔ)備高，符合建筑用熱軋鋼筋的性能需求，在實(shí)際結(jié)構(gòu)工程中具備良好的應(yīng)用前景。

2 有限元模型

2.1 概況

新型熱軋高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的抗彎有限元模型如圖1 所示。該分析模型主要由混凝土、鋼筋籠以及墊塊組成。

圖1 新型高強(qiáng)鋼筋混凝土梁有限元計(jì)算模型

2.2 材料本構(gòu)模型

本文中的高強(qiáng)鋼筋混凝土梁所涉及的材料本構(gòu)為鋼筋和混凝土本構(gòu)，為保證模擬的結(jié)果準(zhǔn)確，建立合理的混凝土和鋼筋的材料本構(gòu)模型，如下所示。

2.2.1 混凝土本構(gòu)模型

目前國(guó)內(nèi)常用的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）[3]提出的混凝土單軸受壓和受拉本構(gòu)，本構(gòu)關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 材料本構(gòu)關(guān)系曲線

2.2.2 高強(qiáng)鋼筋的本構(gòu)模型

當(dāng)前，大多數(shù)鋼筋本構(gòu)采用雙折線模型，簡(jiǎn)單實(shí)用。然而對(duì)于本文高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)化和緊縮的材料特性，本文采用Esmaeily-Ghasemabadi 等[16]提出的三線性強(qiáng)化模型，模擬有明顯屈服點(diǎn)和流幅的新型高強(qiáng)鋼筋力學(xué)特性。

2.3 幾何模型

2.3.1 單元類型本模型的單元組成主要包括混凝土、高強(qiáng)鋼筋和加載/支座墊塊，其中加載/支座墊塊和混凝土采用實(shí)體單元。為防止墊塊發(fā)生變形，其剛度定義為無(wú)窮大。而高強(qiáng)鋼筋則采用桁架單元，其材性根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果輸入。

2.3.2 單元界面的接觸定義

有限元模型中，加載/支座墊塊與梁之間的接觸采用綁定約束進(jìn)行模擬。對(duì)于縱筋和箍筋則通過(guò)內(nèi)嵌選項(xiàng)，內(nèi)置于混凝土內(nèi)部，模擬鋼筋與混凝土間的粘結(jié)作用。

2.3.3 邊界條件及加載方式

模型選用位移加載，在梁上端的加載墊塊上表面分別設(shè)置參考點(diǎn)1和2，并將參考點(diǎn)與加載墊塊端面進(jìn)行耦合，對(duì)參考點(diǎn)施加約束邊界條件和豎向位移荷載。為實(shí)現(xiàn)真實(shí)加載邊界條件的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)X和Z方向的位移進(jìn)行限制，保留Y方向位移自由度，同時(shí)放開(kāi)其轉(zhuǎn)角自由度。而對(duì)于梁下端的支座墊塊的邊界條件則需限制其3 個(gè)方向的位移自由度，釋放其轉(zhuǎn)角自由度，以實(shí)現(xiàn)其鉸接邊界。

3 參數(shù)分析

3.1 混凝土強(qiáng)度

分別對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50 的高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土強(qiáng)度增大時(shí)，混凝土梁的極限抗彎承載力和初始剛度會(huì)有不同程度的增大?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C50的高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的抗彎承載力比采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30和C40 的構(gòu)件（模型B-FE-1 和B-FE-2）分別提高11.03%和5.42%，比混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60的梁構(gòu)件的抗彎承載力降低了1.27%。此外，當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，混凝土的受壓和受拉的峰值應(yīng)變均相對(duì)較小，由于高強(qiáng)鋼筋需與之應(yīng)變相容，因此高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，鋼筋和混凝土材料的匹配性較差。同時(shí)，研究表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C50和C60 時(shí)，模型的抗彎承載力較為接近，表明C50級(jí)以上的混凝土與本文介紹新型高強(qiáng)鋼筋具有更好的匹配性，詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)圖3（a）。

圖3 參數(shù)分析結(jié)果

表2 新型高強(qiáng)鋼筋混凝土梁有限元計(jì)算結(jié)果

3.2 配筋率

為明確配筋率對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，分別對(duì)縱筋配筋率為0.93%（模型B-FE-3）、0.75%（模型BFE-5）和1.33%（模型BFE-6）的梁構(gòu)件進(jìn)行了分析。由圖3（b）可知，當(dāng)試件縱筋配筋率發(fā)生變化時(shí)，混凝土梁的抗彎初始剛度并沒(méi)有明顯的變化，而其抗彎承載力隨著縱筋配筋率的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-5 的抗彎承載力提高了15.60%，比模型B-FE-6 的抗彎承載力降低了35.96%。同時(shí)，隨著縱筋配筋率的提高，混凝土受到鋼筋籠良好的約束行為，其變形能力和延性也隨之提升。

3.3 橫截面面積

分別對(duì)截面積為300 mm×600 mm（模型B-FE-3）、350 mm×700 mm（B-FE-7）、250 mm×500 mm（模型B-FE-8）的混凝土梁進(jìn)行了研究。由圖3（c）可知，高強(qiáng)鋼筋混凝土梁抗彎承載力隨著梁截面尺寸的增大而增大；模型B-FE-3 與模型B-FE-7 相比，抗彎承載力降低了69.52%。模型B-FE-3 與模型B-FE-8 相比，抗彎承載力提高了61.99%。

3.4 縱筋強(qiáng)度

為研究采用新型高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度對(duì)混凝土梁抗彎承載力的影響，分別研究了采用縱向新型高強(qiáng)鋼筋（模型B-FE-3）、HRB500 鋼筋（模型B-FE-9）、HRB400 鋼筋（模型B-FE-10）的混凝土梁抗彎性能。由圖3（d）可知，當(dāng)縱向鋼筋強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)于混凝土梁的彈性剛度并沒(méi)有明顯的變化，而抗彎承載力和撓度變形隨著縱向鋼筋強(qiáng)度的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-9（fy=500MPa）和模型B-FE-10（fy=400MPa）的抗彎承載力分別提高了18.22%和41.75%。

4 受力分析

4.1 荷載-撓度特征曲線

根據(jù)加載過(guò)程中新型高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的受力情況和特點(diǎn)，將其荷載-撓度曲線劃分為3 個(gè)階段，分別是彈性階段（OA 段）、彈塑性階段（AB 段）和下降段（BC段），如圖4所示。

彈性階段（OA 段）：該階段荷載-撓度曲線呈線性發(fā)展，混凝土以及鋼筋在受力上均表現(xiàn)為彈性行為，豎向荷載由高強(qiáng)鋼筋和混凝土共同承受，應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向均勻分布。

彈塑性階段（AB 段）：荷載到達(dá)A 點(diǎn)之后，曲線斜率逐漸降低。此時(shí)，混凝土開(kāi)始塑性發(fā)展，截面中和軸快速上移，混凝土的受壓區(qū)高度逐步減小，混凝土縱向應(yīng)力急劇上升，應(yīng)力呈曲線分布，直至開(kāi)裂。同時(shí)，受拉區(qū)鋼筋進(jìn)入塑性階段，最終在荷載到達(dá)B 點(diǎn)時(shí)，高強(qiáng)縱筋應(yīng)力接近其屈服強(qiáng)度，混凝土梁達(dá)到峰值抗彎承載力。

下降段（BC 段）：在峰值荷載（B 點(diǎn)）之后，受拉區(qū)混凝土退出工作，形成最大裂縫。受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度，發(fā)生壓潰現(xiàn)象。混凝土全截面退出工作，荷載由受拉和受壓高強(qiáng)鋼筋承擔(dān)，無(wú)法維持繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，出現(xiàn)下降情況。

4.2 應(yīng)力全過(guò)程發(fā)展規(guī)律

4.2.1 混凝土應(yīng)力全過(guò)程發(fā)展規(guī)律

通過(guò)應(yīng)力云圖可見(jiàn)，混凝土最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在梁構(gòu)件純彎段。在彈性階段，混凝土拉壓區(qū)應(yīng)力水平較小，均處于材料的彈性受力階段。混凝土應(yīng)力發(fā)展速度基本與荷載加載值呈線性關(guān)系。隨著荷載的進(jìn)一步增大，在達(dá)到A 點(diǎn)之后，純彎段梁體混凝土的應(yīng)力發(fā)展加速，應(yīng)力發(fā)展相對(duì)荷載呈現(xiàn)非線性關(guān)系。梁跨中下部底面受拉區(qū)的混凝土拉應(yīng)力逐步超過(guò)其軸心抗拉強(qiáng)度限值2.64 MPa，表明此時(shí)混凝土出現(xiàn)裂縫，并向截面中部延伸。當(dāng)荷載達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，梁跨中頂部區(qū)域受壓區(qū)混凝土應(yīng)力達(dá)到36.9 MPa，達(dá)到其軸心抗壓強(qiáng)度，新型鋼筋混凝土梁受彎荷載達(dá)到最大值。隨后，純彎段梁截面混凝土應(yīng)力水平下降，其中下部受拉區(qū)下降至1.78 MPa，受壓區(qū)壓應(yīng)力下降至32.3 MPa，荷載持續(xù)減小，梁體發(fā)生破壞?；炷量v向應(yīng)力發(fā)展云圖詳見(jiàn)圖5（a）所示。

圖5 高強(qiáng)鋼筋混凝土梁應(yīng)力發(fā)展

4.2.2 鋼筋應(yīng)力全過(guò)程發(fā)展規(guī)律

新型高強(qiáng)鋼筋的縱向應(yīng)力發(fā)展過(guò)程見(jiàn)圖5（b）所示，在加載初期，縱向鋼筋應(yīng)力水平較低。荷載達(dá)到A 點(diǎn)時(shí)，受壓區(qū)鋼筋最大壓應(yīng)力為32.7 MPa，受拉區(qū)鋼筋最大拉應(yīng)力為66.5 MPa。荷載初過(guò)A 點(diǎn)之后，縱向鋼筋應(yīng)力發(fā)展速度加快，受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力率先達(dá)到屈服強(qiáng)度，約為658.1 MPa?？紤]到受壓區(qū)鋼筋與混凝土的變形協(xié)同情況，其應(yīng)力發(fā)展水平相對(duì)受拉區(qū)鋼筋較低，為411.5 MPa，此時(shí)構(gòu)件由于上翼緣的混凝土壓潰，構(gòu)件達(dá)到其峰值荷載，曲線上升至B 點(diǎn)。由此可知，混凝土梁受壓區(qū)鋼筋可采用普通鋼筋即可。隨著混凝土截面退出工作，鋼筋應(yīng)力進(jìn)一步增大，受拉區(qū)鋼筋發(fā)揮其熱軋延性鋼筋的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng)，應(yīng)力保持穩(wěn)定。高強(qiáng)鋼筋應(yīng)力發(fā)展詳見(jiàn)圖5（b）。

5 結(jié)論

本文介紹了一種屈服強(qiáng)度在635 MPa 以上的新型熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋，并通過(guò)有限元分析軟件建立了將其運(yùn)用在混凝土梁中的受彎構(gòu)件數(shù)值分析模型，研究了混凝土強(qiáng)度、配筋率、縱筋強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)其抗彎性能的影響，明確了新型高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎的典型荷載-撓度曲線與應(yīng)力全過(guò)程發(fā)展規(guī)律，得到以下結(jié)論：

①通過(guò)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文介紹的新型熱軋高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度均在635 MPa 以上，極限抗拉強(qiáng)度900 MPa 左右，斷后伸長(zhǎng)率大于9%，符合建筑用熱軋鋼筋的性能需求；

②參數(shù)分析表明，隨著混凝土強(qiáng)度、配筋率、配筋強(qiáng)度和截面積的提高，新型高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的抗彎承載力增大；

③采用本文介紹的新型熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋替換普通鋼筋可有效提高混凝土梁的抗彎承載力和變形能力；

④應(yīng)力分析可知，對(duì)于采用新型熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋的混凝土梁，當(dāng)在梁受拉區(qū)配置高強(qiáng)鋼筋可充分發(fā)揮其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)高強(qiáng)鋼筋被用于梁受壓區(qū)時(shí)，其強(qiáng)度難以有效利用。