CRB550級高強箍筋在梁構件中應用的可行性分析*

萬海濤， 汪一帆， 張瀚文， 楊 琳

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

CRB550級高強箍筋在梁構件中應用的可行性分析*

萬海濤a， 汪一帆a， 張瀚文a， 楊 琳b

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

CRB550鋼筋； 高強箍筋； 普通箍筋； 混凝土梁構件； 低周往返加載試驗； 骨架曲線； 承載能力； 破壞形態

隨著我國正步入“十三五”計劃，國家預備進行供給側結構改革，基礎建設的改革更是其中的重中之重.目前，我國城鎮化發展比較迅速，由于城市建設用地有限，農業耕地紅線不能退守，因此，在推進城鎮化的過程中勢必會追求建筑層數的增加，而在我國高層建筑中均以鋼筋混凝土結構為主.鋼材作為鋼筋混凝土結構的主要材料之一，其需求量依然較大.國內外有許多專家學者均對高強鋼筋進行了抗震性能的研究，普遍認為高強鋼筋在抗震中的應用比普通鋼筋具有一定優勢，無論在承載力還是在變形能力方面都符合抗震規范的要求.本文試驗是在一些研究的基礎上對配置CRB550級高強箍筋在梁構件的應用與推廣進行了研究，通過采用較小直徑的高強鋼筋來代替較大直徑的普通鋼筋以實現減少鋼材的使用量，減弱對鋼材的需求量，達到節約鋼材的目的.因此，應該積極推行節省型高強度的建筑材料，打破傳統粗放型的材料使用模式.高強鋼筋是一種節能材料，尤其在高層建筑中的應用最為明顯，推廣使用高強材料是推動可持續發展和節能減排的要求[1-2].

由HPB235級普通鋼筋經過冷加工升級而制成的CRB550級高強鋼筋在強度和抗疲勞性能方面有較大提升，有超過60%的增加，而其他方面并沒有太大減弱.對于相同的使用能力，大大減少了材料的使用量，這無疑是對建筑高耗能材料應用的優化，對提倡“可持續性工程”的現代社會建設具有重要意義.現階段由于高層建筑的發展對混凝土提出了更高的要求，而相關規范《建筑抗震設計規范》(GBJ11-89)[3]頒布以來并沒有適時更新.為了適應社會經濟的發展，需在高強材料方面也作出新的探索.

1 試驗概況及方案

1.1 混凝土梁構件設計

表1 箍筋直徑Tab.1 Diameter of stirrup mm

注：φ代表HPB235鋼筋；φR代表CRB550鋼筋.

1.2 材料性能

針對梁試件的時效性進行了試驗研究，依據《混凝土結構試驗方法標準》(GB50152-92)[4]，試驗將梁構件的抗壓強度標準值選為C30，澆制成150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊，同時應注意對混凝土取樣保留，保證試塊和樣品同等條件下進行標準養護，養護時間從澆筑第二天算起在溫室中養護28 d，然后對立方體試塊進行加壓試驗，測出試塊的抗壓強度，并做記錄.

表2 梁構件參數
Tab.2 Parameters for beam members

梁號截面面積/mm2縱筋箍筋b?1?1250×4506?25?8@100b?1?2250×4506?25?R6 25@100b?2?1250×4506?25?10@100b?2?2250×4506?25?R7 75@100b?3?1250×4506?25?12@100b?3?2250×4506?25?R9 25@100b?4?1250×4504?20?10@100b?4?2250×4504?20?R7 75@100b?5?1250×45012?22?10@100b?5?2250×45012?22?R7 75@100b?6?1300×60010?20?8@100b?6?2300×60010?20?R6 25@100

本文試驗的主筋采用HPB335的二級鋼筋，箍筋選用HPB235的普通一級鋼筋和CRB550級高強鋼筋[5].依據相應規范標準，各類型鋼筋需留一定量的根數和長度的試樣，在電子式萬能試驗機上進行拉伸試驗，每根同直徑鋼筋為一組，按照《金屬材料溫室拉伸試驗方法》試驗規程所述，開啟萬能試驗機，調整夾具，用萬能試驗機夾具的三分之二夾住試樣兩端，整個過程按恒荷加載，直至鋼筋拉斷，從而測出試驗鋼筋的抗拉強度，并進行數據提取保存.

1.3 構件制作

梁構件制作遵循現實中工地施工的方法和操作流程.由于實驗室場內空間有限，操作人員會選擇在室外進行一系列的施工工序，包括腳手架的搭設、模板的裝扣、鋼筋的綁扎和混凝土的澆筑等工作.為了使試件的一次性有效澆筑滿足要求，需在澆制的過程中謹慎控制試件的保護層厚度，以防止出現露筋情況.

1.4 加載方式

梁構件試驗的水平加載采用單側伸縮式加載裝置，由MTS作動筒對固定試件施加水平力.加載裝置與電子顯示設備相連，并通過傳感器控制水平力的大小.加載裝置固定在反力墻上，通過連接件作用于試件上端部的中心線上，同時確保試件固定穩當和加載位置不偏移.加載裝置示意圖如圖1所示.

圖1 梁構件加載裝置Fig.1 Loading device for beam members

本文試驗的加載方法采用《建筑抗震試驗方法規程》[6]規定的偽靜力加載法，其加載控制階段分為荷載控制階段和變形控制階段.在試驗未屈服前采用荷載增量控制，15 kN為單位荷載增量.試驗構件屈服時的水平位移為單位變形增量，變化趨勢如圖2所示，其中，Fy為屈服時荷載，Uy為屈服時位移，構件破壞可以用肉眼觀察到，當裂縫明顯時或試驗構件水平荷載下降到峰值的85%時停止試驗.

圖2 構件加載形式Fig.2 Loading form for members

1.5 數據測量

數據的來源主要通過位移計來測量，在測量的過程中，需注意試件的變形情況和裂縫分布情況.測量試件相關荷載數據和試件在外部受力和內部應力變形作用下的應變值、水平位移值以及應力與上端部的幾何關系曲線.為了測量數據的準確性，測點的分布應在有效位置布置.在試件上下表面和內部主筋和箍筋上均應布置位移計，用來測量構件塑性鉸附近位移和轉角，同時也要保證基座不發生位移和轉動.因此，還需在基礎梁表面放置位移計，使整個系統保持一致性變形.

本文試驗數據是由DH3185靜態數據采集系統[7]自動采集相應的位移和變形情況，同時，試驗負責人要通過筆記和照片的形式記錄試驗進展和現象變化.收集完成后用辦公軟件OFFICE進行數據整理.

2 試驗結果對比分析

2.1 不同組件骨架曲線對比分析

骨架曲線是指在低周往復荷載下滯回曲線峰值點的連接曲線，是進行結構抗震分析的主要依據.本文僅選取三組代表性梁構件進行對比分析，可以直觀看出較小直徑的CRB550級高強箍筋和較大直徑的HPB235級普通箍筋的異同點，如圖3～5所示.

圖4 梁構件b-2組骨架曲線Fig.4 Skeleton curves for beam members in b-2 group

圖5 梁構件b-4組骨架曲線Fig.5 Skeleton curves for beam members in b-4 group

2.2 混凝土梁構件破壞形態對比分析

試驗現象分析是研究梁構件破壞形態的一個重要過程.由于試驗的試件較多，本文在此只選取一組梁構件來描述試驗破壞現象，并進行差異化分析，如圖6所示.

圖6 構件b-4組破壞形態Fig.6 Failure modes of beam members in b-4 group

2.2.1 b-4-1構件的試驗破壞現象描述

b-4-1梁構件從開始受力至45 kN以后，梁構件受力一側底部在150～300 mm的區域出現一條較寬的裂縫，裂縫從左到右逐漸變窄，并有沿著斜向基礎梁部分延伸的趨勢，如圖6a所示.當水平力達到60 kN時，原先出現的裂縫不斷擴展，此刻構件底部的縱筋出現屈服，即在加荷較小的情況下，位移的增長速度較快.此外，在梁上端部水平位移達到18.8 mm時，梁構件底部的主裂縫沿斜向發展，伴隨著水平位移逐步增大，裂縫逐漸有貫通趨勢.當水平位移達到37.6 mm時，構件底部裂縫貫通且寬度較大.隨著荷載繼續增大，水平位移也隨之變大.當水平位移達到56.0 mm時，受力一側底部的混凝土開始出現大塊剝落，隨后梁構件受壓側底部的混凝土被迫擠落，構件底部的縱筋外露，以后的往復循環加荷出現了主筋的屈服現象.當水平位移達到78.2 mm時，梁構件破壞處出現塑性鉸，之后混凝土大面積掉落，箍筋外露，該構件的承重能力下降，承載力減弱.當荷載加至第三個循環時，承載力已低于標準值的一半，b-4-1梁構件已嚴重破壞，呈彎曲破壞狀態.此后加載停止，試驗結束.

2.2.2 b-4-2構件的試驗破壞現象描述

b-4-2梁構件從剛開始受力至40 kN時，這段時間梁構件處于彈性狀態，沒有明顯變化.當正向水平力達到40 kN之后，梁構件在受力一側底部大致在200～400 mm之間的位置出現一條水平貫穿裂縫，如圖6b所示，并有沿著斜向基礎梁延伸的趨勢.當水平荷載達到55 kN時，裂縫不斷變寬，在加荷不大時，位移會增大很快，則此時梁構件處于屈服狀態.此外，在梁頂部水平位移達到6.1 mm，構件底部200和400 mm處水平裂縫沿斜向發展.水平位移隨受力時間的延續，構件的變形也越來越明顯.當位移達到11 mm時，構件底部主裂縫處斜裂縫貫通且與基礎梁相交.當水平位移達到61 mm時，受壓側底部的混凝土開始出現大塊剝落，主筋外露.當水平位移達到80.1 mm時，梁構件破壞處出現塑性鉸，之后混凝土大面積掉落，箍筋外露.構件背面底部的混凝土已經全部被壓酥且剝落，此時構件底部膨脹散落，承重能力遠不如初.當試驗加載至第三個循環時，承載力已經下降至極限值的60%左右，構件處于彎曲破壞狀態，此后加載停止，試驗結束.

由圖6可知，b-4組構件兩個梁構件的變形和破壞過程極為相似，無論在彈性狀態還是在屈服狀態，水平變形的距離均較為接近，且最后兩構件均發生了彎曲型破壞.由此可以得出，用較小直徑的CRB550級高強箍筋代替較大直徑的HPB235級普通箍筋作梁構件的箍筋有較大可能性，不會出現較大失穩的安全問題.

綜上所述，在梁構件中配置較小直徑的CRB550級高強箍筋與較大直徑的HPB235級普通箍筋相比，在諸多性能方面較相近，其變形性能、承載力和破壞形態均相似.文獻[10]在其他性能指標方面(如鋼筋應變、能量耗散和剛度退化等)與本文試驗均表現出極大的一致性.

3 結 論

由試驗結果分析可知，較小直徑的CRB550級高強箍筋和較大直徑的HPB235級普通箍筋在梁構件中的表現極為一致，在試驗進行的各個階段以及繪制的曲線關系都具有較好的一致性.結合與本次試驗相關的文獻可知，采用這兩種箍筋的梁構件在應變能力、破壞形態、承載能力、剛度退化和能量耗散等性能方面均極為相似.因此，在梁構件中應用較小直徑的CRB550級高強箍筋代替較大直徑的HPB235級普通箍筋具有一定的可行性.這種新技術的應用雖然在鋼筋加工上多了一道工序，卻在建筑物的抗震性能上有了更大地提升，同時也提升了建筑物的耐久性，最關鍵的是大大節約了鋼材在建筑中的使用量.從某種意義上講，減弱了建筑上鋼材的需求量，減少了冶煉鋼材的污染.此項技術的應用推廣也是對當今社會提倡“綠色工程”的響應，具有重要的現實意義.

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(GUAN Zhu-liang.Seismic behavior of concrete co-lumns with CRB550 stirrups [D].Guangzhou：South China University of Technology，2011.)

(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Feasibility analysis on CRB550 grade high-strength stirrup in beam members

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

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

In order to prove the feasibility that the high-strength stirrup with smaller diameter can replace the ordinary stirrup with larger diameter in beam members, the concrete beam members with both CRB550 grade high strength stirrup and HPB235 grade ordinary stirrup were designed, and the low cyclic loading test was performed. Such performance indexes as the load-displacement skeleton curve, strain capacity, bearing capacity and failure mode were compared and analyzed. The results show that in the aspect of corresponding seismic performance, the concrete beam member with CRB550 grade high-strength stirrup is similar to the concrete beam member with HPB235 grade ordinary stirrup. The CRB550 grade high-strength stirrup has equivalent bearing and deformation capacity levels, and can satisfy the requirements in seismic performance.

CRB550 reinforcement; high-strength stirrup; ordinary stirrup; concrete beam member; low cyclic loading test; skeleton curve; bearing capacity; failure mode

2016-03-03.

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.

16∶08在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.026.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.22

TU 375

A

1000-1646(2017)01-0116-05