葉獻國，馬文明，種 迅

(1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009;2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室，安徽合肥230009)

0 引言

高強鋼筋高強混凝土的推廣應(yīng)用已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，有利于節(jié)能減排.已經(jīng)實施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010－2010)［1］淘汰了HPB235低強度鋼筋，新增500 MPa級高強鋼筋，鼓勵采用400、500 MPa級高強鋼筋作為受力主導鋼筋予以推廣應(yīng)用.欲使高強鋼筋性能得到充分發(fā)揮，必須配合采用高強混凝土才能予以實現(xiàn).該領(lǐng)域的研究，國外起步于20世紀90年代初;相對而言，國內(nèi)起步晚發(fā)展快.聶建國等［2］為研究鋼－高強混凝土組合梁在靜載作用下的抗彎性能，開展了8根鋼－高強混凝土組合梁在跨中兩點對稱荷載作用下的試驗，修正了組合梁正截面承載力計算公式.鐘銘等［3］通過兩種類型共計13根梁的靜載和等幅疲勞荷載試驗，分析研究了高強混凝土梁的變形性能和疲勞特性，研究表明，在高強混凝土梁中應(yīng)用高強鋼筋，二者的性能均能得到充分發(fā)揮.宋永發(fā)［4］等制作了26根無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力高強混凝土梁并進行了試驗研究，著重研究了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的極限承載力、裂縫寬度、延性和撓度等.林濤等［5］對鋼筋鋼纖維高強混凝土梁抗彎性能試驗進行研究.試驗研究表明，部分預(yù)應(yīng)力筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫開展情況在很大程度上取決于非預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力大小及細部構(gòu)造.葉獻國等［6］開展了4根HRBF500級鋼筋、C100混凝土梁的抗剪性能試驗，對比分析了抗剪承載力試驗和規(guī)范計算結(jié)果.

本研究通過12根高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力梁的抗彎性能試驗，研究混凝土強度等級、非預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率、預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率等因素對其抗彎性能的影響規(guī)律.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試件截面尺寸b×h=200 mm×450 mm，跨度為5 800 mm(計算跨度為5 400 mm)，鋼筋保護層厚度為40 mm.為避免彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞，純彎段以外受剪區(qū)域箍筋予以加密，箍筋采用直徑為8 mm的HRB400級鋼筋.試件配筋詳圖如圖1所示，詳細設(shè)計參數(shù)見表1.

圖1 試件配筋詳圖(單位:mm)Fig.1 Reinforcement of specimen(unit:mm)

表1 試件設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of specimens

1.2 試驗裝置與加載

試驗采用三分點處兩點集中加載，試驗裝置如圖2所示.在梁的表面和鋼筋表面均貼有應(yīng)變片，以測量加載過程中應(yīng)變的變化規(guī)律.將位移計置于梁的兩端支座與跨中對應(yīng)位置，以測量跨中撓度隨荷載的變化規(guī)律.裂縫以及宏觀破壞則主要借助裂縫測寬儀和肉眼觀測.

采用單調(diào)靜力加載試驗方案.在正式加載前先進行預(yù)加載，使試件進入正常工作狀態(tài)，同時檢測儀表工作情況.然后逐級施加荷載，每級荷載維持10 min，以使試件在荷載作用下的變形得到充分發(fā)展.至試驗后期，通過液壓千斤頂繼續(xù)加載，當力傳感器讀數(shù)下降到極限承載力85%時，此時可以認為試件失效.應(yīng)變和變形數(shù)據(jù)則均由計算機控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)采集.

1.3 材性試驗

在澆筑試驗梁時制作3個立方體標準試塊，并將試塊和試驗梁同條件養(yǎng)護，28 d后測試立方體抗壓強度fcu，并根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［1］計算混凝土軸心抗壓強度fc和抗拉強度ft.具體力學性能列于表2.從制作試驗梁的鋼筋中隨機截取鋼筋試件，作拉伸試驗，得到鋼筋的基本力學性能參數(shù)(表3).

表2 混凝土的力學性能Tab.2 Mechanical properties of concretes

表3 鋼筋的力學性能Tab.3 Mechanical properties of reinforcing bars

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 試驗現(xiàn)象

12根高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力梁均為適筋梁，配筋率為0.69% ～1.51%.通過對試驗現(xiàn)象的觀察和結(jié)果的分析，開展的試驗梁破壞過程包括開裂前階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后直至失效3個階段，各階段的破壞模式與普通鋼筋混凝土梁受彎破壞相似，均為延性破壞.破壞由受拉鋼筋屈服所致，從鋼筋開始屈服直至梁最終破壞之前有明顯預(yù)兆，最終的破壞模式如圖3所示.

圖3 破壞模式Fig.3 Failure mode

上述3個典型破壞階段的現(xiàn)象可以描述為:開裂前階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后至失效階段.

開裂前階段(M≤Mcr):試件開始加載伊始彎矩很小，混凝土應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，截面應(yīng)力為線性分布，混凝土梁處于彈性階段，鋼筋和混凝土的應(yīng)力、曲率都隨著彎矩的增大成比例的升高，隨著荷載的施加，梁的受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)少量塑性變形，拉應(yīng)力分布漸成曲線.受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力仍遠小于其抗壓強度，保持線性分布，中和軸開始上移.當受拉區(qū)混凝土應(yīng)變達到開裂應(yīng)變時，試件出現(xiàn)裂縫.

帶裂縫工作階段(Mcr≤M≤My):跨中彎矩超過開裂彎矩Mcr后，最薄弱截面首先出現(xiàn)肉眼可見裂縫.裂縫細而短，靠近截面下部，與鋼筋的軸線垂直相交.此時裂縫截面受拉區(qū)混凝土部分退出工作，鋼筋的拉應(yīng)力突然增大，中和軸顯著上升，混凝土的壓應(yīng)力因彎矩增大和壓區(qū)面積減小而較快增長.隨著彎矩的繼續(xù)增大，已有的裂縫緩慢增寬，并往上延伸，隔一定間距相繼出現(xiàn)新的裂縫.鋼筋和混凝土的應(yīng)力、中和軸位置和曲率等都相繼穩(wěn)定增大.

鋼筋屈服后至失效階段(M≥My):當受拉鋼筋剛達到屈服強度fy時，裂縫截面受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力仍小于其抗壓強度fc，中和軸以下大部分受拉區(qū)混凝土開裂.鋼筋屈服后的應(yīng)變增長快，破壞了裂縫附近的粘結(jié)，使裂縫增寬，并向上延伸，繼續(xù)進行加載，鋼筋的應(yīng)力仍不變，而應(yīng)變增大，壓區(qū)混凝土的應(yīng)變增大，但頂面附近的應(yīng)力減小，峰值壓應(yīng)力下移，混凝土被壓酥剝落，梁的抗彎承載力快速下降而退出工作.

2.1.2 跨中撓度變形分析

預(yù)應(yīng)力高強混凝土梁采用高強鋼筋和高強混凝土，影響撓度變形的因素主要有混凝土抗拉強度、混凝土彈性模量、加載次序和徐變等.表4中列出按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010－2010)的撓度計算公式計算的預(yù)應(yīng)力梁跨中撓度的計算值，與試驗值作一比較.

在正常使用極限狀態(tài)下，混凝土受彎構(gòu)件的撓度主要取決于構(gòu)件的截面剛度.從表4可以看到，計算值大于試驗實測值，其中PCB－12的計算值是實測試驗值的1.22倍，說明我國規(guī)范計算值相對保守.

表4 預(yù)應(yīng)力梁跨中撓度的試驗值與計算值Tab.4 The experimental and calculated values of mid －span deflection to PC beams

2.2 混凝土強度等級對試驗梁抗彎性能的影響

試驗設(shè)計時包括兩種高強混凝土，其中PCB－1～PCB－6混凝土強度等級為C80，PCB－7～PCB －12混凝土強度等級為C100.為便于比較分析，控制單一變量(混凝土強度等級)繪制各試驗梁對應(yīng)的彎矩－撓度曲線，如圖4所示.從圖4中可明顯看出，高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力試驗梁的彎矩－撓度曲線在鋼筋屈服前的階段近乎重合，至后期發(fā)生相同變形情況下，高強混凝土表現(xiàn)出更高的承載力，即高強混凝土以影響鋼筋屈服后的受力為主，且C100混凝土試驗梁較C80混凝土試驗梁后期承載力下降較小.以圖4(a)為例，在撓度變形100 mm時，采用C80混凝土的PCB－1試驗梁的承載力為289 kN·m，采用C100混凝土的PCB－7試驗梁的承載力為311 kN·m，PCB－7較PCB－1承載力高7.6%.

圖4 不同混凝土強度等級下的彎矩－撓度曲線Fig.4 Moment－ deflection curves under different concrete strength grade

2.3 非預(yù)應(yīng)力筋配筋率對試驗梁抗彎性能的影響

以非預(yù)應(yīng)力筋配筋率作為研究變量，12根試驗梁分為4組，如圖5所示為各組試驗梁對應(yīng)的彎矩－撓度曲線，其中各試驗梁的非預(yù)應(yīng)力筋配筋率見表1.圖5(a)、(b)對應(yīng)的混凝土強度等級為C80，圖5(c)、(d)對應(yīng)的混凝土強度等級為C100，每組試驗梁編號最小的對應(yīng)本組配筋率最高，編號最大的代表配筋率在本組最小.從圖5可明顯看出，非預(yù)應(yīng)力筋配筋率大小對開裂前的抗彎性能基本無影響，該階段混凝土梁處于彈性階段，鋼筋應(yīng)力水平較低;開裂后，發(fā)生相同變形時，配筋率越高承載力越高，且該趨勢持續(xù)到試驗結(jié)束.以圖5(b)對應(yīng)的3根試驗梁的極限承載力為例，配筋率為1.05%的PCB－4其極限承載力為426.7 kN·m，配筋率為0.75%的PCB－5其極限承載力為362.8 kN·m，配筋率為0.50%的PCB－6其極限承載力為298.0 kN·m;PCB－5較PCB－4其極限承載力提高約21.7%，PCB－6較PCB－4其極限承載力提高約43.2%.

圖5 不同非預(yù)應(yīng)力筋配筋率下的彎矩－撓度曲線Fig.5 Moment－ deflection curves under different non － prestressed reinforcement ratio

2.4 預(yù)應(yīng)力筋配筋率對試驗梁抗彎性能的影響

本次進行的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，以預(yù)應(yīng)力筋配筋率(ρ)作為研究變量，12根試驗梁中除預(yù)應(yīng)力筋配筋率不同外，其他信息均相同的共可分為2組，分別是PCB－2(ρ=0.31%)與 PCB －6(ρ=0.47%)對應(yīng)的第一組和 PCB －8(ρ=0.31%)與PCB －12(ρ=0.47%)對應(yīng)的第二組.如圖6所示，為其對應(yīng)的彎矩－撓度曲線，其中圖6(a)對應(yīng)的混凝土強度等級為C80，圖6(b)對應(yīng)的混凝土強度等級為C100.從圖6可明顯看出，預(yù)應(yīng)力筋配筋率大小對開裂前的抗彎性能基本無影響，預(yù)應(yīng)力筋配筋率影響開裂彎矩大小，PCB－6較PCB－2的開裂荷載高13.9%，PCB－12較PCB－8的開裂荷載高15.7%;開裂后，相同彎矩作用下，預(yù)應(yīng)力筋配筋率越高變形越小，即預(yù)應(yīng)力越大變形越小;預(yù)應(yīng)力配筋率也顯著影響試驗梁的極限承載力，PCB－6較PCB－2的極限抗彎承載力高27.3%，PCB－12較PCB－8的極限抗彎承載力高23.8%，即預(yù)應(yīng)力筋越多最終的極限承載力越高.

圖6 不同預(yù)應(yīng)力筋配筋率下的彎矩－撓度曲線Fig.6 Moment－ deflection curves under different prestressed reinforcement ratio

3 結(jié)語

1)高強鋼筋高強混凝土預(yù)應(yīng)力適筋梁破壞過程包括開裂前階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后直至失效三個階段，各階段的破壞模式與普通鋼筋混凝土梁受彎破壞相似，均為延性破壞.

2)混凝土強度等級以影響鋼筋屈服后的抗彎性能為主，且高強度等級混凝土試驗梁后期承載力下降較小.

3)非預(yù)應(yīng)力筋配筋率對試驗梁開裂前的抗彎性能基本無影響，對開裂后抗彎性能影響顯著，即發(fā)生相同變形時，配筋率越高承載力越高，且該趨勢持續(xù)到試驗結(jié)束.

4)相同張拉控制應(yīng)力條件下，預(yù)應(yīng)力筋配筋率越高開裂彎矩越大;相同彎矩作用下，預(yù)應(yīng)力配筋率越高變形越小，其極限承載力也越高.

［1］GB 50010－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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