635MPa熱軋高強鋼筋混凝土梁抗彎性能數值研究

王洋嵩 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著建筑結構向高聳、大跨、重載方向發展，鋼筋混凝土結構作為現階段最主要的結構形式之一，在建筑領域使用較多。作為高強度節能環保材料的高強鋼筋，能夠大大降低工程成本，帶來經濟和社會效益[1]。一定程度上降低物流運輸和建筑鋼筋焊接、加工的工作量[2]。因此，開展高強度鋼筋的研發與應用勢在必行。

當前，我國工程結構正處于急速變革中，強度為500 MPa 級以下的普通鋼筋已經無法滿足工程發展的要求，因此迫切需要使用高強鋼筋混凝土材料。目前HRB500 級高強鋼筋已經納入《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[3]中，而600 MPa 級以上的熱軋高強鋼筋僅納入《鋼筋混凝土用鋼第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2-2018）[4]中，尚未明確其在構件和結構中的應用規定。這在一定程度上限制了600 MPa 級熱軋高強鋼筋在實際工程中的推廣和應用。為此，部分學者相繼對600 MPa 級高強鋼筋在結構構件中的受力性能展開了研究，然而當前研究主要集中在構件的軸壓[5-7]、偏壓[8-10]、抗震性能[11-12]以及高強鋼筋的連接錨固性能[13-14]。此外，上述文獻研究的600 MPa 級高強鋼筋多采用熱處理或冷軋工藝加工生產，在性能質量上存在一定缺陷。相比而言，采用熱軋工藝生產的高強鋼筋，其屈服點和流幅明顯，塑性韌性優越，且有良好的可焊性能。但目前對采用600 MPa級以上熱軋高強鋼筋的混凝土構件受力性能研究較少，極大地限制了其在實際工程中的推廣與應用。

本文介紹的新型熱軋帶肋高強鋼筋，是一種通過熱軋工藝得到的微合金化建筑金屬材料，其屈服強度在635 MPa 以上，具有強度高、延性好、流幅和屈服點明顯等顯著優勢。為研究其在鋼筋混凝土梁中的抗彎性能，本文通過ABAQUS 軟件，建立熱軋高強鋼筋混凝土梁受彎有限元分析模型，研究了混凝土強度、配筋率、縱筋強度等參數對其抗彎承載力的影響，研究結論可為其在實際工程中的應用提供參考依據。

1 高強鋼筋材料性能

本文介紹的新型高強鋼筋是通過熱軋成型，并采用控制溫度冷卻的方式得到的微合金化成品鋼筋,具有強度高、流幅和屈服點明顯、塑性韌性優越等明顯優勢。具體的生產工藝及步驟包括頂底復吹轉爐冶煉，吹氬、LF 精煉，六機六流方坯連鑄，步進梁式加熱爐加熱，連續棒材軋機成材，冷床自然降溫。

通過上述工藝，鋼筋斷面晶體結構形式均表現為“鐵素體+珠光體”，且晶粒細度均為10 級，具備優越和穩定的力學性能。為測定鋼筋的材料力學性能，對直徑為8～20 mm 的鋼筋分別進行母材拉伸試驗，測定其極限抗拉強度、屈服強度、彈性模量和斷后伸長率。測試結果見表1。

表1 高強鋼筋力學性能

試驗測試結果表明，本文介紹的新型熱軋高強鋼筋斷后伸長率均大于9%，極限抗拉強度在900 MPa 左右，屈服強度均高于635 MPa，彈性模型在2.0×105MPa 左右。該鋼筋強度高、延性好，強屈比均大于1.25，強度儲備高，符合建筑用熱軋鋼筋的性能需求，在實際結構工程中具備良好的應用前景。

2 有限元模型

2.1 概況

新型熱軋高強鋼筋混凝土梁的抗彎有限元模型如圖1 所示。該分析模型主要由混凝土、鋼筋籠以及墊塊組成。

圖1 新型高強鋼筋混凝土梁有限元計算模型

2.2 材料本構模型

本文中的高強鋼筋混凝土梁所涉及的材料本構為鋼筋和混凝土本構，為保證模擬的結果準確，建立合理的混凝土和鋼筋的材料本構模型，如下所示。

2.2.1 混凝土本構模型

目前國內常用的混凝土本構關系模型為《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[3]提出的混凝土單軸受壓和受拉本構，本構關系曲線如圖2所示。

圖2 材料本構關系曲線

2.2.2 高強鋼筋的本構模型

當前，大多數鋼筋本構采用雙折線模型，簡單實用。然而對于本文高強鋼筋的強化和緊縮的材料特性，本文采用Esmaeily-Ghasemabadi 等[16]提出的三線性強化模型，模擬有明顯屈服點和流幅的新型高強鋼筋力學特性。

2.3 幾何模型

2.3.1 單元類型本模型的單元組成主要包括混凝土、高強鋼筋和加載/支座墊塊，其中加載/支座墊塊和混凝土采用實體單元。為防止墊塊發生變形，其剛度定義為無窮大。而高強鋼筋則采用桁架單元，其材性根據試驗結果輸入。

2.3.2 單元界面的接觸定義

有限元模型中，加載/支座墊塊與梁之間的接觸采用綁定約束進行模擬。對于縱筋和箍筋則通過內嵌選項，內置于混凝土內部，模擬鋼筋與混凝土間的粘結作用。

2.3.3 邊界條件及加載方式

模型選用位移加載，在梁上端的加載墊塊上表面分別設置參考點1和2，并將參考點與加載墊塊端面進行耦合，對參考點施加約束邊界條件和豎向位移荷載。為實現真實加載邊界條件的轉動，對X和Z方向的位移進行限制，保留Y方向位移自由度，同時放開其轉角自由度。而對于梁下端的支座墊塊的邊界條件則需限制其3 個方向的位移自由度，釋放其轉角自由度，以實現其鉸接邊界。

3 參數分析

3.1 混凝土強度

分別對混凝土強度等級為C30～C50 的高強鋼筋混凝土梁的抗彎性能進行分析，發現當混凝土強度增大時，混凝土梁的極限抗彎承載力和初始剛度會有不同程度的增大?；炷翉姸鹊燃墳镃50的高強鋼筋混凝土梁的抗彎承載力比采用混凝土強度等級為C30和C40 的構件（模型B-FE-1 和B-FE-2）分別提高11.03%和5.42%，比混凝土強度等級為C60的梁構件的抗彎承載力降低了1.27%。此外，當混凝土強度較低時，混凝土的受壓和受拉的峰值應變均相對較小，由于高強鋼筋需與之應變相容，因此高強鋼筋的強度不能充分發揮，鋼筋和混凝土材料的匹配性較差。同時，研究表明，混凝土強度等級在C50和C60 時，模型的抗彎承載力較為接近，表明C50級以上的混凝土與本文介紹新型高強鋼筋具有更好的匹配性，詳細結果見圖3（a）。

圖3 參數分析結果

表2 新型高強鋼筋混凝土梁有限元計算結果

3.2 配筋率

為明確配筋率對高強鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，分別對縱筋配筋率為0.93%（模型B-FE-3）、0.75%（模型BFE-5）和1.33%（模型BFE-6）的梁構件進行了分析。由圖3（b）可知，當試件縱筋配筋率發生變化時，混凝土梁的抗彎初始剛度并沒有明顯的變化，而其抗彎承載力隨著縱筋配筋率的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-5 的抗彎承載力提高了15.60%，比模型B-FE-6 的抗彎承載力降低了35.96%。同時，隨著縱筋配筋率的提高，混凝土受到鋼筋籠良好的約束行為，其變形能力和延性也隨之提升。

3.3 橫截面面積

分別對截面積為300 mm×600 mm（模型B-FE-3）、350 mm×700 mm（B-FE-7）、250 mm×500 mm（模型B-FE-8）的混凝土梁進行了研究。由圖3（c）可知，高強鋼筋混凝土梁抗彎承載力隨著梁截面尺寸的增大而增大；模型B-FE-3 與模型B-FE-7 相比，抗彎承載力降低了69.52%。模型B-FE-3 與模型B-FE-8 相比，抗彎承載力提高了61.99%。

3.4 縱筋強度

為研究采用新型高強鋼筋強度對混凝土梁抗彎承載力的影響，分別研究了采用縱向新型高強鋼筋（模型B-FE-3）、HRB500 鋼筋（模型B-FE-9）、HRB400 鋼筋（模型B-FE-10）的混凝土梁抗彎性能。由圖3（d）可知，當縱向鋼筋強度發生變化時，對于混凝土梁的彈性剛度并沒有明顯的變化，而抗彎承載力和撓度變形隨著縱向鋼筋強度的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-9（fy=500MPa）和模型B-FE-10（fy=400MPa）的抗彎承載力分別提高了18.22%和41.75%。

4 受力分析

4.1 荷載-撓度特征曲線

根據加載過程中新型高強鋼筋混凝土梁的受力情況和特點，將其荷載-撓度曲線劃分為3 個階段，分別是彈性階段（OA 段）、彈塑性階段（AB 段）和下降段（BC段），如圖4所示。

彈性階段（OA 段）：該階段荷載-撓度曲線呈線性發展，混凝土以及鋼筋在受力上均表現為彈性行為，豎向荷載由高強鋼筋和混凝土共同承受，應力沿長度方向均勻分布。

彈塑性階段（AB 段）：荷載到達A 點之后，曲線斜率逐漸降低。此時，混凝土開始塑性發展，截面中和軸快速上移，混凝土的受壓區高度逐步減小，混凝土縱向應力急劇上升，應力呈曲線分布，直至開裂。同時，受拉區鋼筋進入塑性階段，最終在荷載到達B 點時，高強縱筋應力接近其屈服強度，混凝土梁達到峰值抗彎承載力。

下降段（BC 段）：在峰值荷載（B 點）之后，受拉區混凝土退出工作，形成最大裂縫。受壓區混凝土達到極限抗壓強度，發生壓潰現象。混凝土全截面退出工作，荷載由受拉和受壓高強鋼筋承擔，無法維持繼續增長的趨勢，出現下降情況。

4.2 應力全過程發展規律

4.2.1 混凝土應力全過程發展規律

通過應力云圖可見，混凝土最大拉應力與最大壓應力均出現在梁構件純彎段。在彈性階段，混凝土拉壓區應力水平較小，均處于材料的彈性受力階段?；炷翍Πl展速度基本與荷載加載值呈線性關系。隨著荷載的進一步增大，在達到A 點之后，純彎段梁體混凝土的應力發展加速，應力發展相對荷載呈現非線性關系。梁跨中下部底面受拉區的混凝土拉應力逐步超過其軸心抗拉強度限值2.64 MPa，表明此時混凝土出現裂縫，并向截面中部延伸。當荷載達到B點時，梁跨中頂部區域受壓區混凝土應力達到36.9 MPa，達到其軸心抗壓強度，新型鋼筋混凝土梁受彎荷載達到最大值。隨后，純彎段梁截面混凝土應力水平下降，其中下部受拉區下降至1.78 MPa，受壓區壓應力下降至32.3 MPa，荷載持續減小，梁體發生破壞。混凝土縱向應力發展云圖詳見圖5（a）所示。

圖5 高強鋼筋混凝土梁應力發展

4.2.2 鋼筋應力全過程發展規律

新型高強鋼筋的縱向應力發展過程見圖5（b）所示，在加載初期，縱向鋼筋應力水平較低。荷載達到A 點時，受壓區鋼筋最大壓應力為32.7 MPa，受拉區鋼筋最大拉應力為66.5 MPa。荷載初過A 點之后，縱向鋼筋應力發展速度加快，受拉區鋼筋應力率先達到屈服強度，約為658.1 MPa。考慮到受壓區鋼筋與混凝土的變形協同情況，其應力發展水平相對受拉區鋼筋較低，為411.5 MPa，此時構件由于上翼緣的混凝土壓潰，構件達到其峰值荷載，曲線上升至B 點。由此可知，混凝土梁受壓區鋼筋可采用普通鋼筋即可。隨著混凝土截面退出工作，鋼筋應力進一步增大，受拉區鋼筋發揮其熱軋延性鋼筋的優勢，應變持續增長，應力保持穩定。高強鋼筋應力發展詳見圖5（b）。

5 結論

本文介紹了一種屈服強度在635 MPa 以上的新型熱軋帶肋高強鋼筋，并通過有限元分析軟件建立了將其運用在混凝土梁中的受彎構件數值分析模型，研究了混凝土強度、配筋率、縱筋強度等參數對其抗彎性能的影響，明確了新型高強鋼筋混凝土梁受彎的典型荷載-撓度曲線與應力全過程發展規律，得到以下結論：

①通過拉伸試驗發現，本文介紹的新型熱軋高強鋼筋屈服強度均在635 MPa 以上，極限抗拉強度900 MPa 左右，斷后伸長率大于9%，符合建筑用熱軋鋼筋的性能需求；

②參數分析表明，隨著混凝土強度、配筋率、配筋強度和截面積的提高，新型高強鋼筋混凝土梁的抗彎承載力增大；

③采用本文介紹的新型熱軋帶肋高強鋼筋替換普通鋼筋可有效提高混凝土梁的抗彎承載力和變形能力；

④應力分析可知，對于采用新型熱軋帶肋高強鋼筋的混凝土梁，當在梁受拉區配置高強鋼筋可充分發揮其強度優勢，但當高強鋼筋被用于梁受壓區時，其強度難以有效利用。