冷軋帶肋鋼筋焊接網混凝土板抗彎性能試驗

鄭文忠，呂雪源，王　英，谷　勇，杜江月

(結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090 哈爾濱)

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冷軋帶肋鋼筋焊接網混凝土板抗彎性能試驗

鄭文忠，呂雪源，王英，谷勇，杜江月

(結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090 哈爾濱)

摘要:為研究冷軋帶肋鋼筋焊接網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性能指標；進行了32塊冷軋帶肋鋼筋焊接網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、變形發展規律和正截面承載力.研究結果表明：焊點未對CRB600H與CRB550冷軋帶肋鋼筋的力學性能產生影響；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%.根據配置CRB600H和CRB550鋼筋網試驗板的破壞模式，提出了這兩種板正截面承載力的計算方法.

關鍵詞:CRB600H鋼筋；CRB550鋼筋；焊接鋼筋網；承載力；剛度；裂縫

冷軋帶肋鋼筋是上世紀60年代首先在德國、荷蘭和比利時研制成功，而后得到廣泛應用的一種高效建筑鋼材[1].中國于上世紀80年代后期開始引進冷軋帶肋鋼筋生產設備，目前在預制構件中已逐步取代冷拔低碳鋼絲，并在現澆結構中也有較多應用，當應用于現澆樓蓋中時，可節約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，與傳統的現場人工綁扎鋼筋相比，采用鋼筋焊接網施工機械化程度高，具有高效、準確和流水線作業的特點，可有效降低成本和加快工程進度.由于橫向鋼筋與縱向鋼筋成為整體，鋼筋焊接網與混凝土的錨固性能好[5-6]，整體應力傳遞更為均勻[7-8].在國外，冷加工鋼筋焊接網被廣泛應用于樓板、剪力墻、橋梁和高速公路中[9].在國內，將冷軋帶肋鋼筋焊接網應用于剪力墻中已有較多研究[10-11]，而板類構件受彎和滯回性能的研究尚少，目前作為非抗震構件使用.

本研究對配置CRB600H和CRB550兩類冷軋帶肋鋼筋焊接網板的受彎性能進行探討.通過鋼筋材性拉伸試驗，獲得了CRB600H鋼筋、CRB550鋼筋的應力-應變關系，進而得到了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性能指標；完成了32塊CRB600H、CRB550鋼筋焊接網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鋼筋力學性能

1.1試驗設備和試件

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

分別對CRB600H和CRB550兩種鋼筋進行試驗.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試驗結果

按文獻[12]規定的方法進行鋼筋拉伸試驗.CRB600H與CRB550鋼筋的典型應力-應變關系見圖1.初始加載階段，CRB600H鋼筋為彈性，達到屈服應力時，鋼筋的應力-應變曲線出現上下波動，之后鋼筋的應變持續增長而應力基本保持不變，有明顯的屈服平臺.超過屈服階段后，鋼筋進入強化階段，其應力隨應變增大而提高.達到極限應力后，鋼筋局部出現頸縮，直至斷裂.CRB600H鋼筋的應力-應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.達到極限應力后，鋼筋局部出現頸縮，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　鋼筋典型應力-應變曲線

試驗結果表明，無焊點和有焊點鋼筋的拉伸應力-應變曲線相同，焊點對鋼筋的拉伸應力-應變曲線無影響，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.鋼筋的力學性能指標見表1.

表1　冷軋鋼筋力學性能

注：Es為彈性模量；fy為屈服強度(CRB550鋼筋為殘余應變為0.2%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(標距5d)；Z為斷面收縮率.

2鋼筋焊接網抗彎性能試驗

2.1試驗方案

共設計32塊冷軋帶肋鋼筋焊接網混凝土板，試驗板長度均為3 300 mm，寬度為700 mm，縱筋保護層厚度為20 mm，其配筋情況和相關參數列于表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.在試驗板純彎段內的縱筋上布置鋼筋應變片，在試驗板受壓區布置混凝土應變片，分別用以測量鋼筋和混凝土應變.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試驗現象和結果

試驗板開裂之前跨中位移與荷載之間呈線性關系.加載至15%～30%Pu時，試驗板受拉區混凝土出現第一條(或第一批)裂縫，裂縫首次出現的位置一般在靠近支座的純彎段內.首批裂縫出現之后，試驗板的跨中位移隨荷載增長較之前加快，荷載-位移曲線發生第一次偏折.當荷載達到40%～60%Pu時，純彎段內的裂縫出齊且多數貫通，剪彎段內仍有新裂縫出現，縫寬度隨荷載提高不斷增長.當荷載達到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，試驗板內縱筋發生屈服，鋼筋應變急劇增大，裂縫寬度和跨中位移迅速發展，試件的荷載-位移曲線發生第二次偏折.在繼續加載至Pu的過程中，試驗板受拉區混凝土產生剝落和掉渣現象，達到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.試驗結果見表3，荷載撓度曲線見圖3、4.

表2　試驗板參數

表3　試驗結果　kN·m

注：fcu,m為與試驗板同條件養護的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；破壞狀態中,(1)為壓區混凝土被壓碎，(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試驗結果分析

3.1開裂彎矩分析

受彎構件截面抵抗矩塑性影響系數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[13]，文獻[14]采用以下公式計算截面抵抗矩塑性影響系數：

(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

根據文獻[15]，焊接鋼筋網混凝土受彎構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為受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與fc之比，當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

上述分析結果表明，配置CRB600H鋼筋焊接網的混凝土板正截面承載力可按現行規范[15]計算.為偏于安全，對于配置CRB550鋼筋焊接網的混凝土板正截面承載力，在設計計算中應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文獻[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變不均勻系數，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為內力臂系數.

當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個參數取值，即可計算受彎構件的短期剛度.

3.3.1受壓區邊緣混凝土平均應變綜合系數ζ

由文獻[14]可知，受壓區邊緣混凝土平均應變綜合系數的表達式為

(5)

(6)

3.3.2內力臂系數η

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

(7)

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

3.3.3鋼筋應變不均勻系數ψ

(8)

式中:α為系數，對板類構件取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行對比，當Mcr≤M≤My時，可得冷軋帶肋鋼筋焊接網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[14]可知，混凝土板的平均裂縫間距計算公式為

(10)

式中:c為混凝土保護層厚度,deq為受拉區縱向鋼筋等效直徑.

3.4.2平均裂縫寬度

由文獻[14]可知，受彎構件板側鋼筋重心高度處平均裂縫寬度為

(11)

式中αcr為構件受力特征系數.

由試驗數據進行回歸可得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[14]，冷軋帶肋鋼筋混焊接網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τs得到：

(13)

對32塊試驗板6 184個數據點進行統計后得出，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的比值近似服從標準差σ=0.37的正態分布.故當裂縫寬度保證率為95%時，τs=1.62.由于未進行長期持荷試驗，考慮荷載長期作用影響的擴大系數可暫取為τl=1.5[14].

根據上述分析，配置CRB600H與CRB550鋼筋的焊接網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結論

1)CRB600H鋼筋有明顯屈服點，其應力-應變曲線形狀與熱軋鋼筋相似，而CRB550鋼筋無明顯屈服點.未發現電阻焊點對這兩種鋼筋的力學性能產生影響.

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，這類板的上述指標仍可按現行規范計算，計算結果與試驗結果吻合良好.

3)基于試驗結果，獲得了這類板受壓區邊緣混凝土平均應變綜合系數、內力臂系數和鋼筋應變不均勻系數的計算方法，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鋼筋網的試驗板多因混凝土被壓碎而破壞；配置CRB550鋼筋網的試驗板多為縱向鋼筋被拉斷而破壞.基于試驗結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

文獻標志碼: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，博士生導師，長江學者特聘教授.

基金項目:《鋼筋焊接網混凝土結構技術規程》(JGJ114-2003)修訂基礎研究課題；國家教育部長江學者獎勵計劃(2009-37)；哈爾濱工業大學"985工程"優秀科技創新團隊建設項目(2011)；黑龍江省自然科學基金(E200916).

收稿日期:2015-01-15.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.012