HRB500鋼筋混凝土梁靜動態受彎承載力試驗研究

李　磊，何　翔，孫　敖，王世合，高　杰

（1.61489部隊，河南 洛陽 471023；2.河南省特種防護材料重點實驗室，河南 洛陽 471023）

HRB500鋼筋混凝土梁靜動態受彎承載力試驗研究

李磊1，2，何翔1，2，孫敖1，王世合1，2，高杰1

（1.61489部隊，河南 洛陽 471023；2.河南省特種防護材料重點實驗室，河南 洛陽 471023）

為研究HRB500鋼筋混凝土簡支梁的受彎承載力，進行7組21根適筋梁的靜、動態三分點彎曲加載試驗，分別采用0.6%、1.0%兩種配筋率，C40、C60兩種強度等級的混凝土，3種加載速度，獲得梁的截面應變分布曲線，以及開裂載荷、屈服載荷、極限載荷和延性比等參數。通過對比分析試驗結果，認為在動態載荷作用下，平截面假定依然成立，梁的開裂載荷可提升1倍以上，屈服載荷和極限載荷有小幅提升。動態屈服載荷可采用靜載時的計算方法進行計算，但需要將鋼筋和混凝土的靜態強度替換為動態強度。梁的延性比基本不受加載速度的影響，配筋率越高的梁延性比越低。

HRB500鋼筋；混凝土梁；動態試驗；屈服載荷；延性比

0　引　言

HRB500鋼筋是一種強度高、韌性好的新型鋼筋，在國外的混凝土結構中已得到廣泛應用，尤其是在高層建筑、大跨度建筑和抗震等級高的建筑中。我國雖然早在1998年就將HRB500鋼筋納入了GB 1499——1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》標準中，但因缺乏相應的鋼筋混凝土結構試驗資料，直到2010年才將其列入GB 50010——2010《混凝土結構設計規范》［1］。而后國家出臺相應政策，在工程領域中大力推廣應用HRB500鋼筋，近幾年其產量得到穩步提升，應用范圍正逐步擴展。在軍事領域中，軍事建筑大量采用鋼筋混凝土結構，軍事建筑不僅要滿足正常的承載力要求，還必須具有一定的抵抗武器打擊的能力，而武器對建筑物的作用大部分表現為爆炸、沖擊等動態載荷，所以必須對鋼筋混凝土結構的動態承載力開展研究，以便為軍事建筑的設計建造提供依據。

在動態載荷作用下，鋼筋和混凝土等材料的力學行為會發生明顯變化［2-5］，材料力學性能的變化必然會影響到鋼筋混凝土結構的力學性能，所以應在研究材料動態力學特性的基礎上開展鋼筋混凝土結構件的動態力學特性研究。鋼筋混凝土梁是最常見的結構件，其動態力學性能正逐漸受到國內研究人員的重視。清華大學的陳肈元是國內研究爆炸載荷下鋼筋混凝土結構動力性能的開創性學者，其研究成果在最近出版的專著［6］中進行了全面的總結。錢七虎［7］和方秦［8］對防護結構中的鋼筋混凝土結構動力性能和設計計算方法進行了更為深入的研究。都浩等［9］和李振寶等［10］分別采用有限元軟件對鋼筋混凝土梁的動態力學性能進行了數值模擬研究，肖詩云等［11］采用分層纖維模型研究了混凝土的動態特性和鋼筋的動態特性對適筋梁和超筋梁的開裂彎矩、開裂曲率、極限彎矩和極限曲率的影響，李敏等［12］對地震作用范圍內加載速率對鋼筋混凝土梁的影響開展了試驗研究與數值模擬。上述研究中涉及到的鋼筋都是400MPa級以下的，由于HRB500鋼筋列入規范的時間較短，關于HRB500鋼筋混凝土梁的動態力學性能研究在國內還未曾見諸報道。筆者利用總參工程兵科研三所的KG400T動載試驗機，對HRB500鋼筋混凝土梁開展了靜態和動態抗彎試驗，對其受彎承載力進行了初步分析。

1　試驗概況

1.1試件尺寸及載荷預估

本試驗的目的是研究動態載荷作用下鋼筋混凝土梁的力學響應，試驗的加載過程應根據梁的實際承載過程進行簡化。動態載荷對結構的作用方式可分為局部作用和整體作用，如果動態載荷作用于結構局部，如直接撞擊、接觸爆炸等情況，載荷作用點附近區域材料質點將獲得極高的速度，使結構局部范圍內產生很大的應力，此時難以精確衡量結構局部應力應變的大小，通常只能宏觀地研究結構破壞現象。如果動態載荷作用于結構整體，如遠距離爆炸、地震等情況，結構將產生整體變形和內力，結構破壞是由于出現過大的變形、裂縫，甚至整體倒塌，破壞部位一般發生在產生最大內力的地方，此時可以采用動力分析方法對結構的動態響應進行較為準確的分析計算。本試驗主要研究動態載荷對鋼筋混凝土梁的整體作用，所以參照GB/T 50152——2012《混凝土結構試驗方法標準》［13］的方法，選取典型的簡支梁三分點集中加載方式模擬梁的整體彎曲，研究梁在靜態和動態載荷作用下的受彎承載力，并進行對比分析。

本試驗共設計了7組21根試驗梁，每組3根梁的試驗狀態完全相同，以降低試驗誤差。所有試件尺寸全部相同，長度1 800 mm，支撐跨距1 500 mm，剪跨500 mm，截面尺寸300 mm×150 mm，受拉主筋均為HRB500鋼筋，混凝土設計強度等級為C40和C60兩種，主筋配筋率為0.6%和1.0%兩種，主筋混凝土保護層厚度為25mm，理論計算均為適筋梁。試件的配筋方式見圖1，采用兩根受拉主筋和兩根構造筋，中部純彎曲段受壓區沒有構造鋼筋，箍筋采用直徑6mm的HRB400鋼筋，箍筋間距根據受拉主筋屈服時不發生剪切破壞的原則計算選取，試件的實際配筋率及實測鋼筋強度見表1。

圖1　試件配筋示意圖（單位：mm）

表1　試件實際配筋率及實測強度

試驗梁采用鋼模支撐，人工澆筑混凝土，常規澆水養護28天，同時每一根梁分別留存了3個邊長150mm的立方體混凝土試塊測量立方體抗壓強度按照GB/T 50152——2012中的方法，推算混凝土的軸心抗壓強度軸心抗拉強度和彈性模量再參照GB/T 50010——2010計算受拉主筋開始屈服時的彎矩和開裂彎矩按照加載方式換算為屈服載荷和開裂載荷計算中所有材料參數均取實測值，試件參數及載荷預估值見表2，表中還列出了試件的實測尺寸和試驗速度，其中低速試驗是指從加載到試件屈服的時間較長，約為60ms，高速試驗是指該時間較短，約為30ms。

表2　試件參數及載荷預估值

1.2試驗方法

本次試驗在總參工程兵科研三所的KG400T動載試驗機（見圖2）上進行，該試驗機主要技術指標見表3。該試驗機以高壓氣體作動力，采用氣-液聯動系統快速產生高壓力，使試件獲得基本恒定的加載速度，圖3為設備的加載原理圖。試驗前儲能器中為高壓氣體，加載時打開快速閥，氣體壓力推動活塞快速移動，通過液壓油將載荷傳遞到主缸活塞，主缸活塞對試件施加快速壓力，試驗中可通過調節閥改變加載速度。

圖2　KG-400T動載材料試驗機

表3　KG400T動載試驗機指標

試驗測點布置見圖4，混凝土表面應變測點（εc）5個，采用BA120-100AA箔式應變片，在跨中位置從上表面到下表面均勻布置，主要測量混凝土表面應變沿高度的分布情況；鋼筋應變測點（εs）4個，采用BF120-5AA箔式應變片，在跨中位置兩個主筋上各布置2個應變片，主要測量跨中位置鋼筋應變。跨中布置位移傳感器（y），量程50mm，測量試件跨中撓度，力傳感器（F）固定在分配鋼梁上，量程500kN，測量試件承受的總載荷，所有測點均采用東華DH5960超動態信號測試分析系統采集信號。在實際試驗中，由于試驗機的作動頭在下部，固定端在上部，考慮到作動頭直接作用于支撐鋼梁不利于鋼梁穩定和數據測量，可能帶來不必要的試驗誤差，所以采用倒置加載的方法進行試驗，將支撐鋼梁焊接固定在試驗機上部，分配鋼梁放置于試件下部，作動頭從底部向上加載。由于試驗機主活塞行程只有25mm，為了充分加載，在靜載試驗中采用手動千斤頂加載，動載試驗中采用試驗機作動頭加載。

圖3　快速加載原理圖

圖4　測點布置位置（單位：mm）

靜載試驗的加載程序參考GB/T 50152——2012確定，試件屈服前按照載荷分級加載，試件屈服后按照跨中撓度增量控制加載。動載試驗采用連續快速加載方法，試件直接加載到作動頭的最大行程，加載速度由設備中的調節閥控制，分別進行低速和高速兩種速度的動載試驗。

2　試驗結果與分析

2.1試驗現象

試驗中設計的試件均為適筋梁，靜載試驗的試驗過程可分為以下3個階段：

1）開裂前階段。開始加載時，試件受力在彈性范圍內，截面尚未開裂，整體變形較均勻，載荷-撓度曲線接近直線變化，試件中性軸位于高度方向的中線上。

2）帶裂縫工作階段。當加載到試件開裂載荷時，在試件跨中或加載點對應位置受拉混凝土表面出現一條或多條垂直裂縫，載荷-撓度曲線上出現第1個明顯的轉折點，由于裂縫的出現，受拉區混凝土退出工作，其開裂前承擔的拉力將轉移給鋼筋承擔，因而裂縫附近的鋼筋應變突然增加。隨著載荷的繼續增大，混凝土裂縫寬度不斷增大并緩慢向受壓區延伸，同時純彎段還有新裂縫出現，載荷-撓度曲線的斜率比開裂前有明顯降低，曲線斜率隨載荷增長有幅度很小的降低趨勢，試件中性軸逐步向受壓區移動。

3）破壞階段。當鋼筋應力達到屈服強度時，受壓區混凝土一般尚未壓壞，載荷-撓度曲線上出現第2個明顯的轉折點。此轉折點之后，鋼筋進入塑性受力階段，試件承受的載荷緩慢增長但撓度增長迅速，載荷-撓度曲線變為接近水平的曲線，純彎段混凝土裂縫寬度增長較快，裂縫深度增長較慢，裂縫深度一般均超過梁高度的3/4，試件中性軸進一步向受壓區移動，同時受剪截面出現剪切斜裂縫并不斷增長。隨著載荷的進一步增大，受壓區混凝土出現水平裂縫，并開始剝落、掉塊，試件承受的載荷在達到峰值后開始下降，最終受壓區混凝土被壓潰，出現較為劇烈的碎裂聲音，實驗結束。

動載試驗為瞬時加載，試驗機作動頭一次加載到最大行程，低速試驗的總加載時間為150～200ms，試件屈服的時間為50～70 ms，高速試驗的加載時間為70～100ms，試件屈服的時間為20～30 ms，加載完成后保持壓力10min。受到試驗機作動頭的行程所限，難以加載到受壓區混凝土破壞，僅有部分試件的受壓區混凝土開裂掉塊。圖5給出了5C406組部分試件的載荷-撓度曲線，從圖中可以看出，動載試驗的載荷-撓度曲線與靜載試驗的曲線相似，但是屈服載荷有了明顯的提升。

圖5　5C406組部分試件的載荷-撓度曲線

2.2試驗結果

1）截面應變分布

平截面假定是目前混凝土結構設計規范中受彎構件計算方法的基礎，已有很多學者通過靜載試驗進行了驗證，但在動載情況下該假定是否依然成立，需要通過動態試驗來驗證。本次試驗通過沿梁高度方向均布的混凝土應變片測得截面的應變分布情況，可驗證在靜態和動態載荷作用下平截面假定是否成立。試驗中不論靜載還是動載試驗，部分試件的截面應變分布與平截面假定吻合良好，如圖6中給出的5C406J1、5C406G3試件；還有一部分試件的截面應變分布明顯與平截面假定不符，如圖6中給出的5C606J2、5C406D1試件。出現這種差異的原因在于，混凝土應變片布置與跨中，長度為100mm，當混凝土開裂后，如果裂縫穿過應變片，則應變片測得的為鋼筋與混凝土的平均應變，由于混凝土性能的離散性，裂縫在純彎段出現的位置具有一定的隨機性，100mm的范圍內并不是一定有裂縫出現，如果應變片在兩條裂縫中間，那么應變片測得的為表面混凝土的應變，而兩條裂縫中間的混凝土會產生回縮，因而出現了不同的應變分布圖。平截面假定是針對整個截面的平均應變而言的，所以應變片在兩條裂縫中間的情況應為無效數據。本次試驗測得的大部分應變分布情況均基本符合平截面假定，所以在動載情況下平截面假定依然適用。

圖6　截面應變分布圖

2）開裂載荷和屈服載荷

靜載試驗中依據試驗標準和實時觀察的試驗現象可判斷開裂載荷F0cr和屈服載荷Fy0，動載試驗的加載過程難以進行實時觀察，所以開裂載荷和屈服載荷只能通過試驗曲線來判讀。圖7給出了5C410D3試件的載荷-撓度曲線和載荷-鋼筋應變曲線，從圖中可觀察到較為明顯的拐點，如試件開裂時載荷-鋼筋應變曲線中的拐點，鋼筋屈服時載荷-撓度曲線中的拐點，以這些拐點為依據綜合判讀試件的開裂載荷和屈服載荷。

圖7　5C410D3試驗曲線

3）極限載荷與延性比

極限載荷Fu0為整個試驗過程中試件能夠承受的最大載荷，一般對應受壓區混凝土剝落和崩裂。但動載試驗中受試驗機行程所限，大部分試件未出現受壓區混凝土剝落和崩裂，這里以測得的最大載荷作為極限載荷，實際的極限載荷肯定高于該數值。試件的延性比β為極限載荷下試件的撓度fu0與屈服載荷下的撓度fy0比值，這一數值可反映試件的塑性變形能力。所有試件的試驗結果列于表4，其中ts為試驗開始加載到試件屈服的時間，5C406J1試件因加載前已有裂縫，其開裂載荷沒有測得。5C410D1、5C410D2和5C410G3加載完成后受壓區混凝土破裂。

表4　試驗結果匯總表

試驗中的支撐鋼梁在試驗載荷范圍內會產生一定的彈性彎曲變形，對試驗梁的跨中撓度測量有一定影響，經試驗測量和理論計算綜合分析，支撐鋼梁支座處的剛度約為350 kN/mm，即總載荷達到350 kN時支座處會產生1mm的沉降，在數據處理中已將該變形量對撓度測量的影響進行了修正。試件加載前放置在分配鋼梁上，經計算由試件自重產生的最大彎矩約為0.22kN·m，僅占屈服彎矩的0.4%～0.8%，可將其影響忽略。

2.3對比分析

1）開裂載荷

本次試驗中靜載試驗的開裂載荷實測值均小于其理論預估值，其原因可能是試件澆筑時振搗不夠充分，另外試驗時間為冬季，最低氣溫已降至0℃以下，試件內部混凝土可能已產生凍融損傷。

動載試驗測得的開裂載荷較靜載時有顯著提升，提升幅度可達到100%～200%，提升的原因有兩方面，一是混凝土抗拉強度在動態加載時比靜態加載時可提升30%以上［6］，另一方面是由于靜載試驗和動載試驗中確定開裂載荷的方法不同。靜載試驗中通過裂縫測寬儀放大40倍查找裂縫，發現裂縫的時間較為準確，在發現裂縫后至少保持載荷5 min，裂縫得以充分發展；而動載試驗中是通過載荷-撓度曲線和載荷-鋼筋應變曲線的拐點確定開裂載荷的，加載過程為瞬態連續加載，試件開裂后需經過一定時間的擴展才能使撓度和鋼筋應變產生突增，而在這段時間內載荷還是不斷增長的，曲線出現拐點的時間點比開裂時間點有一定的延遲，這也會導致從曲線中讀取的開裂載荷比實際開裂載荷偏大。

2）屈服載荷

靜載試驗測得的屈服載荷與理論預估值十分接近，9個靜載試件的試驗結果中，Fy0/Fyc的平均值為1.017，說明靜態加載時鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力的理論計算方法精度很高，同時也可驗證靜載試驗的準確性。

動載試驗時的屈服載荷較靜載試驗時有所提升，其比值見表5，表中數值為每組3個試件的平均值。由于適筋梁中鋼筋屈服時受壓區混凝土仍處于彈性階段，鋼筋混凝土梁的屈服載荷主要由鋼筋的屈服強度決定，所以屈服載荷的提升幅度應與屈服強度的提升幅度密切相關。動載試驗中低速加載時鋼筋應變率為0.045～0.065s-1，受壓表面混凝土應變率為0.023～0.026s-1，高速加載時鋼筋應變率為0.09～0.125s-1，受壓表面混凝土應變率為0.032～0.046s-1。根據文獻［6］和文獻［14］中的結果，低速加載時可取鋼筋屈服強度提高系數為1.05，混凝土抗壓強度提高系數為1.15，高速加載時可取鋼筋屈服強度提高系數為1.10，混凝土抗壓強度提高系數為1.17，將考慮動態強度提高系數后的材料參數代入靜態屈服載荷的計算公式，可計算得到低速加載時屈服載荷提高系數為1.054～1.059，高速加載時屈服載荷提高系數為1.103～1.105，屈服載荷提高系數與鋼筋屈服強度提高系數十分接近，可近似取為鋼筋屈服強度提高系數。配筋率較低的5C406組試件，屈服載荷提高系數實測值比計算值更大，而配筋率較高的5C410組試件，屈服載荷提高系數實測值與計算值相當。

表5　梁試件屈服載荷對比

3）極限載荷與延性比

5C406組試件動載試驗中并未測得試件真實的極限載荷，但動載作用下極限載荷肯定高于靜載極限載荷。5C410組試件中部分動載試驗后受壓區混凝土破裂，可認為測得的極限載荷與真實的極限載荷十分接近，那么動載試驗極限載荷平均值與靜載試驗平均值的比值為1.08，可作為極限載荷的提高系數，極限載荷的提高系數比屈服載荷的提高系數低一些。該組試件的延性比也可認為接近真實值，那么動載試驗中試件延性比的平均值為4.06，與靜載試驗中延性比平均值4.16相近，而且動載試驗中真實的延性比還會更高一些，說明動態加載時鋼筋混凝土梁的塑性變形能力與靜態加載時基本相當。

對比3種靜載試驗的結果，可發現混凝土強度對延性比影響較小，而配筋率對延性比影響顯著，配筋率越高延性比越低。

3　結束語

通過HRB500鋼筋混凝土簡支梁的靜動態抗彎試驗，研究了不同混凝土強度等級（C40、C60）和不同配筋率（0.6%、1.0%）試件的受彎承載力，可以得到以下結論：

1）在動態載荷作用下，平截面假定依然成立，可以作為計算分析的基礎。

2）動載試驗中梁的開裂載荷有顯著提升，提升幅度可達到100%～200%。

3）動載試驗中梁的屈服載荷和極限載荷均有提升，可采用靜載時計算屈服載荷的方法計算動態屈服載荷，但需要將鋼筋和混凝土的靜態強度替換為動態強度，而且這樣計算對結構而言是偏于安全的。配筋率較低的梁動態屈服載荷的提高比例較高。

4）動態載荷作用下梁的延性比與靜態加載時基本相當，配筋率越高延性比越低。

［1］混凝土結構設計規范：GB 50010—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

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［8］方秦，柳錦春.地下防護結構［M］.北京：中國水利水電出版社，2010：179-188.

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［12］李敏，李宏男.鋼筋混凝土梁動態試驗與數值模擬［J］.振動與沖擊，2015，34（6）：110-115.

［13］混凝土結構試驗方法標準：GB/T 50152—2012［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

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（編輯：李妮）

Static and dynamic experimental investigation on flexural bearing capacity of HRB500 reinforced concrete beam

LI Lei1，2，HE Xiang1，2，SUN Ao1，WANG Shihe1，2，GAO Jie1
（1.Unit 61489 PLA，Luoyang 471023，China；2.He'nan Key Laboratory of Special Protective Materials，Luoyang 471023，China）

In order to study the flexural bearing capacity of HRB500 reinforced concrete simple supported beam，static and dynamic tests of three dividing point loading were carried out.21 beams in 7 groups were tested under 3 different loading speeds.The reinforcement ratio was 0.6% and 1.0%respectively，and the strength grade of concrete was C40 and C60 respectively.The strain distribution in the section，cracking load，yield load，ultimate load and ductility ratio were obtained.The comparative analysis of the experiment results show that，under dynamic load，plane section assumption is also tenable，and the cracking load of beam is significantly raised more than one time.The yield load and ultimate load increased a little.The dynamic yield load can be calculated by the method derived from static load condition，but the static strength of rebar and concrete must be replaced by the dynamic strength.The ductility ratio of beam is basically not influnced by loading speed，but it is lower when the reinforcement ratio is higher.

HRB500 rebar；concrete beam；dynamic experiment；yield load；ductility ratio

A

1674-5124（2016）10-0049-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.010

2016-05-05；

2016-06-18

河南省科技創新人才計劃（154200510028）

李磊（1980-），男，河南開封市人，助理研究員，博士，主要從事工程防護材料及其試驗技術研究。