高強鋼筋(CRB550)在柱構件中的應用與推廣*

萬海濤， 楊　琳， 汪一帆， 張瀚文

(河南大學 a. 土木建筑學院， b. 教育科學學院， 河南 開封 475001)

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高強鋼筋(CRB550)在柱構件中的應用與推廣*

萬海濤a， 楊琳b， 汪一帆a， 張瀚文a

(河南大學 a. 土木建筑學院， b. 教育科學學院， 河南 開封 475001)

鋼筋混凝土結構為大規模基礎建設中應用最為廣泛的結構形式之一[1]，而鋼筋混凝土結構主要材料是鋼材和混凝土，它們均為高耗能建筑材料，而且污染環境.據相關機構估算，冶煉1 t鋼材要消耗1.66 t標準煤，生產1 t水泥要消耗185 kg標準煤，同時排放出1.28 t二氧化碳，這均需消耗大量的自然資源，并在一定程度上污染了環境，對自然生態產生一定破壞.我國提倡的“一帶一路”基礎設施建設計劃在構想之初就希望將其打造為綠色環保和節能減碳的建設計劃.正是基于此背景，我國結構工程行業需要積極利用有限的資源，減少能源消耗，提高建筑結構的耐久性，節約結構材料的使用量，積極推廣高強度材料的應用.高強鋼筋是一種目前比較適合我國結構工程環境的節能減碳的建筑材料[2].

高強鋼筋(CRB550)是由土木工程材料中應用較為廣泛的一級鋼筋HPB235進行冷加工而制成的，此種鋼筋提高了鋼筋強度但鋼筋延性變化不大[3].如果能在建筑結構物中大范圍使用小直徑的CRB鋼筋代替大直徑的HPB鋼筋，而兩者的承載力及變形相近，可以大大節省鋼材的用量，對提倡“可持續性工程”和“綠色工程”具有重要的意義.雖然目前CRB鋼筋在樓板以及剪力墻的應用較為常見[4-5]，但在柱構件中的應用則較為少見.本文通過對22根鋼筋混凝土柱進行低周往復加載試驗，以期通過試驗驗證在鋼筋混凝土柱構件中，按照等強原則用較小直徑的CRB鋼筋作為箍筋來代替較大直徑的HPB鋼筋具有一定的可行性.

1　試驗概況

1.1鋼筋混凝土構件設計

構件試驗參閱現行《混凝土結構設計規范》[6]后，設計了22條RC柱構件(鋼筋混凝土柱構件)，RC柱構件按照截面尺寸、軸壓比、主筋及配箍形式等不同分為11組.截面尺寸有兩種，分別為350 mm×350 mm和300 mm×300 mm.軸壓比有3種，分別為0.7、0.8、0.9.主筋有2種，分別為φ16和φ22.為了證明在RC柱構件中采用較小直徑的CRB550鋼筋能夠替代大直徑的普通一級鋼筋(HPB235)作為箍筋，用φR6.25對比φ8(φ代表HPB235鋼筋，φR代表CRB550鋼筋)，用φR7.75對比φ10，用φR9.25對比φ12進行試驗.RC柱構件詳細參數如表1所示.

1.2材料力學性能

1.2.1砼(混凝土)立方體試塊強度

本文試驗所有鋼筋混凝土構件的砼強度等級均為C30，參照《混凝土結構試驗方法標準》[7]，在澆筑砼的同時對砼取樣，澆筑成立方體混凝土試塊，其邊長為150 mm.按照混凝土規范中規定的養護方法進行養護，并在荷載試驗進行的同時測定試塊的抗壓強度.

1.2.2鋼筋的力學性能

試驗參照規范選用強度為335 MPa的二級鋼筋作為構件主筋，選用強度為235 MPa的一級鋼筋和強度為550 MPa的冷軋帶肋鋼筋作為構件箍筋.取本次試驗所用的部分鋼筋作為鋼筋試驗試樣在拉伸機上進行試驗[8].

表1　鋼筋混凝土柱構件參數Tab.1　Parameters for RC column members

1.3構件制作

由于構件本身尺寸的限制，在構件的制作過程中，各構件預先在試驗室外進行鋼筋綁扎、模板安裝以及混凝土澆筑等工作，特別注意在澆筑之前需將綁扎完成的鋼筋籠填入模板并適時調整保護層厚度，如圖1、2所示.

圖1　模板安裝Fig.1　Installation of template

圖2　構件鋼筋的綁扎Fig.2　Binding for steel bars of members

1.4試驗加載裝置

水平加載選用外伸式加載儀器，通過外伸式加力筒加載水平力，水平力的大小由與加力筒相連的計算機控制.水平力加載裝置用鋼螺栓連接在反力墻加力筒上作為主體結構，加力筒通過構件上的鋼拉條和鋼板對構件頂部的中心軸處施加水平力，構件用壓梁和固定螺桿固定在地面上.

豎向加載選用千斤頂加載豎向力，千斤頂所施加的豎向力通過設置在構件頂端的鋼板和滾軸施加在構件頂端中心.千斤頂固定在試驗廠房的上部鋼梁上，構件同樣用壓梁和固定螺桿固定在地面上.圖3為鋼筋混凝土柱構件的加載設備實際現場圖.

圖3　鋼筋混凝土柱構件試驗裝置Fig.3　Test device for RC column members

鋼筋混凝土柱構件在試驗時不僅要施加豎向力以提供軸向壓力，還要在加載過程中施加水平力以模擬地震作用，但要注意在試驗過程中豎向軸力保證一次加載至構件中心且豎向力大小保持恒定.

鋼筋混凝土柱構件施加水平力通過外伸式加力筒施加，采用力和變形聯合加載的方法，構件在線彈性階段范圍內選用循環加荷方式，每次荷載增加量設定為構件極限承載力的1/10.彈性階段過后，對構件選用變形控制的循環加荷方式，如圖4所示，當構件破壞明顯時停止試驗.

圖4　構件加載控制方案Fig.4　Load controlling scheme for members

1.5量測內容及測點布置

1.5.1量測內容

本文需要測量觀察的內容如下：

1) 構件在試驗加載作用下的損傷形態和裂縫的發展模式；

2) 構件在試驗過程中各個階段的變形情況以及相應的荷載數據；

3) 構件在荷載和變形聯合加載下的鋼筋應變大小、水平側向變形以及力與頂端位移的曲線關系.

1.5.2測點布置

在鋼筋混凝土構件鋼壓梁上面、混凝土構件表面及內部都要放置位移計用于測量構件變形情況，特別是構件在加荷過程中塑性鉸處的側向變形和轉角變形.同時為了監測加載過程基座是否發生平動及轉動，避免基座滑移或轉動使荷載加載出現偏心，需在基座梁表面布置位移計.

1.5.3數據采集及處理

數據采集及處理過程如下：

1) 由靜態數據采集系統[9]自動采集在不同加載狀態下的應變片與位移計的數據；

2) 試驗人員通過照相機或攝像機等設備記錄構件的損傷形態和裂縫的發展模式；

3) 試驗人員需記錄下試驗加載過程中構件在各個試驗階段下的變形值和相應荷載；

4) 試驗人員在試驗完成后對收集的數據進行詳細處理與分析.

2　試驗結果分析

圖5　鋼筋混凝土柱構件組c-1骨架曲線Fig.5　Skeleton curves for RC column member c-1

圖6　鋼筋混凝土柱構件組c-2骨架曲線Fig.6　Skeleton curves for RC column member c-2

圖7　鋼筋混凝土柱構件組c-10骨架曲線Fig.7　Skeleton curves for RC column member c-10

對比分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的柱構件和HPB235鋼筋作箍筋的柱構件具有相近的承載力和變形能力.

2.2柱構件破壞形態對比分析

由于柱構件組數較多，此處只對典型的一組柱構件進行對比來考察CRB550鋼筋作箍筋的構件和HPB235鋼筋作箍筋的構件在破壞形態上的差別，構件組破壞形態如圖8所示.

圖8　構件組c-3構件破壞形態Fig.8　Failure morphologies for member group c-3

2.2.1c-3-1構件的破壞過程及破壞形態

構件c-3-1在試驗中處于力控制狀態時，水平力達到150 kN之前構件屬于彈性階段.當正向水平力達到150 kN時，在構件左側面距離底部25.8 cm位置上出現一條水平貫穿裂縫(此處正向為圖8a中從左到右的方向，反之為反向)，正面底部以及離正面底部26.5 cm處分別出現6.8和9.3 cm的水平裂縫(此處正面為圖8a中視線看到的那一面，反之視線看不到的面為背面).當反向水平力達到190 kN時，原先出現的裂縫不斷拓展，構件左側面和右側面出現多條貫穿裂縫，且左側面距離底部28 cm位置上的一條水平裂縫逐步演變成為斜裂縫，此刻構件底部的縱筋出現屈服，也認為構件屈服.構件c-3-1在試驗中處于變形控制狀態時，當水平變形達到25 mm時，構件底部出現鼓裂現象，構件的表層混凝土被壓酥并且開始脫落.伴隨著水平變形逐步增大，豎向裂縫慢慢出現于構件四周底部.當水平變形達到50 mm時，左側面距離底部高度為18.5 cm以下的表層混凝土開始出現大面積剝落.當水平變形達到65 mm時，構件背面底部的混凝土已經全部被壓酥且剝落，此刻構件底部縱筋也已經外露，且在試驗繼續循環加荷時可以觀測到構件的縱筋在受壓時出現屈曲現象.當水平變形達到75 mm時，正面靠左側的一條斜裂縫已經從構件底部拓展至58 cm高處，同時構件正面的底部也出現大量豎向裂縫向上延展，此時構件底部出現塑性鉸.當水平變形達到85 mm時，正面底部的混凝土已經大面積剝落，箍筋外露，此時構件c-3-1的承載力大幅度下降.當試驗加荷至第二個循環時，構件的承載力已經下降至約50%，此時構件破壞嚴重，停止加荷，至此整個試驗完成，試驗結果表明構件呈現彎曲型破壞.

2.2.2c-3-2構件的破壞過程及破壞形態

構件c-3-2在試驗中處于力控制狀態時，水平力達到155 kN之前構件屬于彈性階段.當正向水平力達到155 kN時，正面距離底部25.5 cm處出現一條長約8.8 cm的水平裂縫(此處正向為圖8b中從左到右的方向，反之為反向)，左側面距離底部28 cm處出現一條長約12.8 cm的水平裂縫.隨著水平力的逐步增大，構件正面底部逐漸出現較多水平裂縫(此處正面為圖8b中視線看到的那一面，反之視線看不到的面為背面).當反向水平力達到200 kN時，構件左側面底部出現一條水平貫穿裂縫，右側面距離底部28.5 cm處也出現一條水平貫穿裂縫，此刻構件底部的縱筋出現屈服，也認為構件屈服.構件c-3-2在試驗中處于變形控制狀態時，當水平變形達到20 mm時，構件底部出現鼓裂現象，構件的表層混凝土被壓酥并且開始脫落，左側面距離底部38 cm處開始出現一條斜裂縫，隨著水平變形逐步增大，豎向裂縫慢慢出現于構件四周底部，與此同時，左側面出現數對分布較為對稱的斜裂縫.當水平變形達到49 mm時，左側面距離底部高度為12.8 cm以下的表層混凝土開始出現大面積剝落，箍筋和縱筋外露，構件裂縫繼續拓展.當水平變形達到62 mm時，構件背面底部的混凝土已經全部被壓酥且剝落，在試驗繼續循環加荷時可以觀測到構件的縱筋在受壓時出現屈曲現象，且發現混凝土核心區也開始被壓壞.當水平變形達到85 mm時，觀測發現正面底部的混凝土已經大面積剝落，混凝土核心區基本壓壞，箍筋崩裂，此時構件c-3-2的承載力大幅度下降.當試驗加荷至第二個循環時，構件的承載力就已經下降至約55%，此時構件破壞嚴重，停止加荷，至此整個試驗完成，試驗結果表明構件呈現彎曲型破壞.

由c-3組構件的破壞形態可以看出，構件c-3-1和構件c-3-2在彈性階段最大承載力、屈服時的承載力以及破壞時的承載力大小較為接近，另外構件裂縫開裂模式也較為類似，且兩個構件均為彎曲型破壞，因此認為CRB550鋼筋作箍筋的柱構件和HPB235鋼筋作箍筋的柱構件兩者的破壞形態相似.

2.3試驗結果對比分析

綜上分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土柱構件和HPB235鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土柱構件在承載力、變形能力以及破壞形態上基本相近.對于其他性能指標，如鋼筋應變、破壞形態、剛度退化和能量耗散等性能指標情況可查閱與本試驗相關文獻[10-11].由文獻可知，CRB550鋼筋作箍筋的構件和HPB235鋼筋作箍筋的構件在鋼筋應變和能量耗散等性能指標方面也相當接近.

3　結　論

通過試驗結果對比分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土構件與HPB235鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土構件具有相近的承載力、變形性能以及破壞形態.另外，通過查閱與本試驗相關文獻可知，CRB550鋼筋作箍筋的構件和HPB235鋼筋作箍筋的構件在鋼筋應變和能量耗散等性能指標方面也相當接近.由此驗證了在縱筋配置相同的情況下，可以采用比《混凝土結構設計規范》中限值更小直徑的CRB550鋼筋(如6.25、7.75、9.25 mm)取代工程實際中較為常用的直徑為8、10、12 mm的HPB235鋼筋作鋼筋混凝土構件的箍筋，為在柱構件中配置較小直徑的高強鋼筋替代較大直徑的常用鋼筋作箍筋這項新技術提供了試驗層面上的驗證.如果此項新技術被廣泛推廣，則大大節約了建筑物中鋼材的使用量，并在很大程度上減輕了對生態環境的污染.此技術對提倡“可持續發展”和“綠色環保”的當今社會具有重要的現實意義.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Application and popularization of CRB550 high-strength steel bar in column members

WAN Hai-taoa, YANG Linb, WANG Yi-fana, ZHANG Han-wena

(a. School of Civil Engineering and Architecture, b. School of Educational Science, Henan University, Kaifeng 475001, China)

In order to achieve the goal of saving steel through replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter, the various performance indexes of reinforced concrete (RC)column members with the stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar were compared and analyzed. The low cyclic loading tests for 22 different reinforced concrete column members with different types were designed. The results show that such performance indexes of RC column members with stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar as the load-displacement skeleton curve, strain of steel bar, failure morphology, stiffness degradation and energy dissipation are close to the same. It proves that the new technology, namely replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter in the configuration of column members, has certain feasibility.

CRB550 steel bar; reinforced concrete (RC) column member; low cyclic loading test; load-displacement skeleton curve; strain; failure morphology; stiffness degradation; energy dissipation

2015-12-01.

國家自然科學基金資助項目(51408195).

萬海濤(1979-)，男，江西臨川人，副教授，博士，主要從事結構抗震等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.18

TU 375

A

1000-1646(2016)04-0461-06

*本文已于2016-05-12 14∶01在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.028.html