配置高強非預應(yīng)力鋼筋的預應(yīng)力混凝土梁受彎試驗研究

李 強，馬燕豐

(1.唐山學院 土木工程學院，河北 唐山 063000；2.唐山市城市建筑工程總公司，河北 唐山 063000)

近些年，我國大力倡導和推進高強鋼筋應(yīng)用于建筑工程。早在2012年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《關(guān)于加快應(yīng)用高強鋼筋的指導意見》中明確提出，要積極推廣并使用500 MPa螺紋鋼筋，同時加強高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的研究，將開展600 MPa及以上螺紋鋼筋產(chǎn)品的研發(fā)列為重點工作[1]。HRB600鋼筋是采用微合金化工藝的一種新型高強度、高性能鋼筋，在有效提升混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性和靈活性的同時，其結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力狀態(tài)下的性能也引起了學者們的關(guān)注[2-4]，從而為HRB600鋼筋的工程應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。筆者將對配置HRB600非預應(yīng)力鋼筋的預應(yīng)力混凝土梁進行受彎試驗。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計

本試驗共設(shè)計了7根試驗梁，試驗梁的變量參數(shù)分別為非預應(yīng)力鋼筋強度、HRB600鋼筋配筋率和混凝土強度等級。試驗梁橫截面均為矩形，截面尺寸為400 mm×500 mm。預應(yīng)力筋為直線型布置，均采用有粘結(jié)后張法張拉[5]。試驗梁的具體尺寸及配筋詳見圖1，試驗梁的參數(shù)見表1，混凝土的實測材料性能指標見表2，非預應(yīng)力鋼筋實測材料性能見表3。

圖1 試驗梁尺寸及配筋

構(gòu)件編號梁長/mm截面尺寸/mm預應(yīng)力筋②受拉鋼筋①架立筋④箍筋③混凝土強度等級L-15 100400×5003-1?S15.231821410C50L-25 100400×5003-1?S15.231821410C50L-35 100400×5003-1?S15.231821410C50L-45 100400×5003-1?S15.221821410C50L-55 100400×5003-1?S15.241821410C50L-65 100400×5003-1?S15.231821410C40L-75 100400×5003-1?S15.231821410C60

表2 混凝土實測材料性能 MPa

表3 非預應(yīng)力鋼筋實測材料性能

1.2 加載方案

本試驗為靜載試驗，采用三分點對稱加載，加載方案包括預加載和正式加載兩個階段。預加載每級加載20 kN，共加載兩級；正式加載級距為20 kN，當總加載值接近特征荷載時，加載級距減半。當非預應(yīng)力鋼筋屈服后，加載方式改為位移控制，加載級距為1 mm，當非預應(yīng)力鋼筋應(yīng)變達到約10 000 με或試驗梁跨中撓度達到其跨度的1/50時，宣告試驗梁破壞[1，6，7]。加載方式如圖2所示。

圖2 加載方式

2 試驗結(jié)果分析

2.1 混凝土應(yīng)變分析

本試驗采用混凝土應(yīng)變片采集試驗梁跨中側(cè)面混凝土應(yīng)變情況，應(yīng)變片粘貼位置見圖2，跨中截面混凝土應(yīng)變分布如圖3所示。在試驗梁受力過程的初始階段，構(gòu)件基本處于彈性階段，混凝土應(yīng)變沿構(gòu)件截面高度方向呈直線型分布，故符合平截面假定。隨著加載值增大，混凝土平均應(yīng)變直線型分布雖有所折線化，但仍基本符合平截面假定。總體而言，配置HRB600非預應(yīng)力鋼筋的預應(yīng)力混凝土梁的跨中截面平均應(yīng)變近似線性分布，符合平截面假定[7]。

(a)L-4 (b)L-5

(c)L-6 (d)L-7圖3 跨中截面混凝土應(yīng)變分布

2.2 非預應(yīng)力鋼筋應(yīng)變分析

本試驗用應(yīng)變片采集非預應(yīng)力鋼筋在加載過程中的應(yīng)變情況，應(yīng)變片的粘貼位置在受拉鋼筋的跨中處。圖4為試驗梁荷載-非預應(yīng)力鋼筋應(yīng)變曲線，將圖4中(c)(d)與(a)(b)進行對比，不難發(fā)現(xiàn)HRB600鋼筋與HRB500，HRB400的受力特征相似，鋼筋應(yīng)變發(fā)展均呈現(xiàn)出比較明顯的三階段增長規(guī)律：加載初期，鋼筋發(fā)生彈性變形，其應(yīng)變曲線近似直線型，且增幅較小；加載中期，尤其是試驗梁開裂后，開裂處混凝土退出工作，非預應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力大幅增加，應(yīng)變曲線斜率減小；加載后期，鋼筋在高應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生屈服，其應(yīng)變的增速再次加快，應(yīng)變曲線斜率再次減小，隨著荷載進一步增加，試驗梁的受彎承載力基本處于滯漲狀態(tài)，而此時非預應(yīng)力鋼筋應(yīng)變急劇增大，直至接近或達到10 000 με，宣告試驗梁破壞。綜觀加載過程，HRB600鋼筋的三階段受力過程明顯，在HRB600鋼筋屈服后，其應(yīng)變能夠繼續(xù)穩(wěn)定增長，這表明HRB600鋼筋的高強度和延性能夠得到充分發(fā)揮，從而試驗梁的受彎承載力得到了顯著提升。

(a)L-1 (b)L-2

(c)L-4 (d)L-5圖4 試驗梁荷載-非預應(yīng)力鋼筋應(yīng)變曲線

2.3 預應(yīng)力損失分析

表4 預應(yīng)力筋的有效預拉應(yīng)力

3 撓度分析

3.1 短期撓度分析

影響高強鋼筋混凝土梁短期撓度的三個基本因素包括荷載、初始剛度和配筋率[9]。本文考慮到非預應(yīng)力鋼筋和預應(yīng)力筋的配筋率對試驗梁短期撓度的顯著影響，提出在現(xiàn)行《規(guī)范》短期抗彎剛度公式的基礎(chǔ)上引入綜合配筋率影響系數(shù)α(取值1.5)，從而對試驗梁的短期跨中撓度計算值進行修正。

Bs=

(1)

表5 試驗梁跨中撓度實測值與計算值對比

分析表5中的數(shù)據(jù)可知，試驗梁短期跨中撓度的試驗值與計算值的比值均值為0.971，變異系數(shù)為0.095；如果去掉偏差較大的試驗梁L-5的試驗數(shù)據(jù)再進行統(tǒng)計，比值為1.002，變異系數(shù)為0.057。由此可見，考慮到HRB600鋼筋和預應(yīng)力筋對試驗梁抗彎剛度的提升作用，通過引入綜合配筋率影響系數(shù)對《規(guī)范》中的公式進行修正，進而使計算值與試驗值非常接近，可以提高短期跨中撓度的計算精度。

3.2 撓度限值分析

現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定預應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的長期最大撓度值要滿足限值要求，試驗梁的荷載長期作用下的截面抗彎剛度計算公式為：

(2)

式中Mk，Mq分別為按照荷載的標準組合、準永久組合計算的最大彎矩(kN·m)，本試驗取Mk/Mq=1.143。

表6 試驗梁撓度限值分析

注：試驗梁的跨中撓度限值取flim=l0/200，即flim=24 mm

4 結(jié)論

本文通過對配置HRB600非預應(yīng)力鋼筋的預應(yīng)力混凝土梁進行受彎試驗，分析了混凝土和HRB600鋼筋的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，提出了預應(yīng)力筋預應(yīng)力損失的計算建議，研究了試驗梁短期跨中撓度的計算方法，主要研究結(jié)論如下：

(1)試驗梁跨中截面混凝土的平均應(yīng)變近似呈線性分布，符合平截面假定。綜觀整個受力過程中，HRB600鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出顯著的三階段增長規(guī)律，尤其在HRB600屈服后，其應(yīng)變?nèi)阅軌蚍€(wěn)定增長，這表明HRB600鋼筋與預應(yīng)力筋協(xié)同受力較好，HRB600鋼筋的高強度和延性得以充分發(fā)揮。

(2)預應(yīng)力筋的各項預應(yīng)力損失值宜按照現(xiàn)行《規(guī)范》公式進行計算，在計算預應(yīng)力筋應(yīng)力松弛損失值以及混凝土收縮和徐變引起的損失值時，通過引入時間影響系數(shù)，可以有效提高兩類損失值的計算準確性。

(3)在計算配置HRB600非預應(yīng)力鋼筋的預應(yīng)力混凝土梁的短期抗彎剛度時，要充分考慮HRB600鋼筋和預應(yīng)力筋配筋率對抗彎剛度的貢獻，本文建議引入綜合配筋率影響系數(shù)以提高計算精度，試驗梁在正常使用極限荷載長期作用下的最大撓度符合限值要求。