高強(qiáng)鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裂縫控制應(yīng)用中的影響

蘇堯 趙望

摘要：根據(jù)規(guī)范規(guī)定的裂縫計(jì)算方法和相應(yīng)構(gòu)造條件，對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)在受彎條件下的鋼筋用量控制條件及鋼筋應(yīng)力水平進(jìn)行分析比較，在此基礎(chǔ)上，得出不同環(huán)境類別下，高強(qiáng)鋼筋的高強(qiáng)度的發(fā)揮情況，以及由此帶來(lái)的對(duì)規(guī)范提倡推薦使用高強(qiáng)鋼筋的思考。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，以及梁側(cè)面受拉鋼筋中心處與受拉邊緣裂縫寬度的換算關(guān)系式，建議公式計(jì)算得到的裂縫寬度和試驗(yàn)值吻合較好。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼筋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；裂縫控制；應(yīng)用

引言

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裂縫的控制措施，是根據(jù)現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010一2002）規(guī)定的裂縫計(jì)算方法和相應(yīng)的構(gòu)造方法措施，對(duì)地下和地上結(jié)構(gòu)在受彎條件下的鋼筋用量進(jìn)行控制。但是在工程具體應(yīng)用中，對(duì)于高強(qiáng)度鋼筋的應(yīng)用在某些條件下，是否能夠達(dá)到規(guī)范所提倡的應(yīng)用還是要做具體分析。所謂高強(qiáng)度鋼筋在這里主要指的是：HRB500級(jí)和CRB600H鋼筋，本文就此種鋼筋的使用進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)概況

試件設(shè)計(jì)：共設(shè)計(jì)了14根簡(jiǎn)支鋼筋混凝土梁，包括10根輕骨料混凝土梁（試件編號(hào)LB-1～LB-10）和4根普通混凝土梁（試件編號(hào)CB-1～CB-4），主要考慮了截面尺寸、保護(hù)層厚度、混凝土種類和鋼筋種類等參數(shù)。試件跨中截面如圖1所示，試件的主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。其中，b、h分別表示試件截面的寬度、高度，L為試件的總長(zhǎng)度，cs為縱向受拉鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度。試件的縱向受力鋼筋直徑為16mm和25mm，牌號(hào)為HRB500級(jí)和CRB600H。

為了便于觀察試件受拉邊緣裂縫，采用如圖2所示的反向加載方式。試件的懸臂長(zhǎng)度為1200mm，純彎段長(zhǎng)度為1900mm。試件受壓縱筋的混凝土保護(hù)層厚度均為20mm，純彎段配有箍筋10@300，剪彎段配有箍筋10@100（試件LB-1～LB-10和試件CB-1～CB-3）和10@75（試件CB-4）。

1.2 材料及其力學(xué)性能

試驗(yàn)所采用的輕骨料混凝土LC30、LC60-Ⅰ、LC60-Ⅱ中，粗骨料為碎形頁(yè)巖陶粒、細(xì)骨料為普通河砂；普通混凝土C30、C60中，粗骨料則為普通碎石、細(xì)骨料也為普通河砂。混凝土的配合比見(jiàn)表2。參考GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將試塊與試件同條件養(yǎng)護(hù)，可得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c、圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)'c、彈性模量Ec和容重wc等材性參數(shù)實(shí)測(cè)。

1.3 試驗(yàn)加載及量測(cè)方案

試件加載時(shí)，兩端千斤頂同步加載，如圖2所示。在達(dá)到0.8Pu，c（Pu，c為極限荷載計(jì)算值）前，采用力控制加載，每級(jí)加載增量取為0.1Pu，c；之后，采用跨中撓度控制加載直至試件破壞，每級(jí)加載增量取為5mm。試驗(yàn)加載過(guò)程中，對(duì)荷載及試件混凝土表面裂縫進(jìn)行了量測(cè)。在（0.5～0.8）Pu，c各級(jí)荷載工況下，持荷并采用裂縫寬度電子觀測(cè)儀量測(cè)試件的受拉邊緣（Ⅰ）、梁側(cè)面受拉鋼筋中心處（Ⅱ）兩個(gè)位置（圖1）的裂縫寬度。當(dāng)加載到0.8Pu，c左右時(shí)，用鋼尺量測(cè)試件側(cè)面受拉鋼筋中心處的裂縫間距。

2、試驗(yàn)主要結(jié)果

2.1 裂縫發(fā)展過(guò)程

當(dāng)荷載加至約0.2Pu（Pu為極限荷載實(shí)測(cè)值）時(shí)，在試件純彎段的底面、側(cè)面出現(xiàn)一條或多條寬度較小的裂縫，裂縫高度為h/5～h/4。隨著荷載進(jìn)一步增加，純彎段裂縫數(shù)量逐漸增多，寬度也逐漸增大。當(dāng)荷載增加到約0.5Pu，裂縫基本出齊。進(jìn)一步加載后，在主裂縫間距之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)次生裂縫，但其發(fā)展高度和寬度均較小。當(dāng)荷載接近Pu時(shí)，裂縫不斷向受壓區(qū)延伸并變寬，此時(shí)受拉鋼筋已進(jìn)入屈服狀態(tài)，當(dāng)荷載達(dá)到Pu時(shí)，純彎段部分裂縫迅速變寬，受壓區(qū)混凝土被嚴(yán)重壓碎。試件純彎段在0.7Pu左右時(shí)的典型裂縫形態(tài)如圖3所示。

2.2 輕骨料混凝土和普通混凝土試件對(duì)比

對(duì)比試件LB-3和試件CB-1、試件LB-4和試件CB-2、試件LB-9和試件CB-3及試件LB-10和試件CB-4可見(jiàn)，輕骨料混凝土梁的平均裂縫間距較普通混凝土梁的小；輕骨料混凝土的裂縫寬度也普遍較普通混凝土的小。其主要原因是，輕骨料混凝土的骨料表面多孔，與水泥砂漿的界面黏結(jié)致密，且骨料強(qiáng)度一般小于水泥砂漿的強(qiáng)度，特別是高強(qiáng)輕骨料混凝土，裂縫會(huì)先在骨料內(nèi)部發(fā)生，次生裂縫相對(duì)較少，但也會(huì)導(dǎo)致其裂縫寬度變異較大；鋼筋與陶粒混凝土之間的黏結(jié)性能更好，導(dǎo)致裂縫間距變小。

2.3 受拉邊緣裂縫寬度

JGJ12—2006《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1992-1-1中主要控制梁側(cè)面最外排受拉鋼筋中心處的裂縫寬度，而美國(guó)規(guī)范ACI318則控制梁受拉邊緣的裂縫寬度。因此，研究不同位置的裂縫寬度關(guān)系將有利于進(jìn)行規(guī)范對(duì)比。

結(jié)論

雖然高強(qiáng)度鋼筋的強(qiáng)度指標(biāo)比較高，但是其強(qiáng)度模量并未有提高。現(xiàn)行規(guī)范的裂縫寬度計(jì)算理論也未有大的改變，相應(yīng)的裂縫寬度計(jì)算方式并不推薦高強(qiáng)度鋼筋的應(yīng)力充分發(fā)揮掉，也在間接上限制了高強(qiáng)度鋼筋的更廣泛使用。

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（作者單位：中建二局第一建筑工程有限公司）