配置600 MPa級鋼筋混凝土梁受彎性能試驗研究

戎賢，王海濤，劉平

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

配置600 MPa級鋼筋混凝土梁受彎性能試驗研究

戎賢，王海濤，劉平

（河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

通過對配置600MPa級鋼筋混凝土梁進行受彎試驗，分析討論了《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中關于受彎承載力、撓度的公式的適用性，同時與配置普通500 MPa級鋼筋混凝土梁的受力性能進行對比．試驗結果表明：配置600 MPa級鋼筋混凝土梁的受彎特征與普通鋼筋混凝土梁相同，均能實現延性破壞，并且在梁受力的正常使用極限狀態下，《規范》中關于受彎梁的承載能力、撓度的公式仍能繼續沿用．

600 MPa級鋼筋；鋼筋混凝土梁；受彎承載力；配筋率；撓度

0 引言

600MPa級鋼筋俗稱五級鋼，是利用釩合金、微合金化的鋼筋成分和專門的軋制工藝流程制作而成．它較之普通鋼筋擁有強度高、延性好、純度高等優點．若是用600鋼筋替代工程中常用的335級鋼筋，在相同的受彎承載能力要求下，鋼筋的用量會大幅度的減少，具有明顯的經濟效益和社會效益[1]．在高強鋼筋的受力過程中，其必然會處于高應力的狀態，按照現行規范《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）（以下稱為《規范》）計算的構件的撓度能否滿足要求，600 MPa級的高強鋼筋的優勢能否得到充分發揮，還需要進一步的試驗研究．為此，需對配置600 MPa級鋼筋的混凝土構件進行試驗研究，為《混凝土結構設計規范》的修訂提供理論和試驗依據．

1 試驗概況

本試驗設計了7根簡支梁，構件截面尺寸為200 mm×400 mm，其配筋參數見表1．在試驗梁進行制作時，同時預留3個150mm×150mm×150mm的立方體試塊，與試驗梁在同條件下養護，在試驗前在壓力試驗機上進行混凝土抗壓試驗，確定混凝土的強度，其強度見表2[2]．縱向鋼筋的實測力學性能參數見表3[3]．

表1 試驗梁配筋情況Tab.1Reinforcement of beams

表2 混凝土實測材料性能Tab.2The practice stress of concrete

圖1 試驗梁截面形式及配筋圖Fig.1Section and reinforcement of samples

表3 縱向鋼筋實測材料性能Tab.3The practice performance of longitudinal steel bars

2 試驗現象

圖2為L4的彎矩-撓度曲線，圖3為L5的彎矩-鋼筋應變曲線，可以看出梁在試驗過程中的受彎變化．

2.1 混凝土開裂前的未裂階段

在剛開始加載時，梁承受的彎矩比較小，其變形都表現為線彈性變形特征；隨著彎矩的不斷增加，鋼筋的應力和跨中撓度都緩慢增加，受拉邊緣混凝土首先表現出應變較應力增長速度快的塑性特征．

2.2 混凝土開裂之后至鋼筋屈服前的裂縫階段

當彎矩達到Mcr時，在梁的純彎段內跨中或者加載點對應的梁底混凝土受拉應變達到其極限受拉應變，將出現一條或者多條豎直裂縫，裂縫寬度很小，其高度可達50～150 mm．此時因為混凝土不能在受拉，鋼筋應力會突變至很大；梁的彎矩撓度曲線也會出現轉折點，其剛度出現退化現象．

繼續加載，純彎段裂縫穩定發展，當彎矩達到0.5Mu左右時，裂縫基本出齊，其高度和寬度逐漸增大；當彎矩達到(0.6～0.7)Mu時，最大的裂縫寬度超過0.2 mm，這表明試驗梁已經達到了正常使用極限狀態．

2.3 鋼筋開始屈服至截面破壞的破壞階段

繼續加載，當彎矩達到My時，鋼筋應力值達到640～660 N/mm2，標志鋼筋屈服，進入流幅階段，梁的撓度有突變的跡象，裂縫寬度繼續增加并向上延伸，中和軸繼續上移，受壓區高度進一步減小，塑性特征明顯．彎矩在增大至峰值，梁底的混凝土裂縫寬度達到1.5 mm，宣告梁的破壞[4-8]．

圖2 L4彎矩-撓度曲線Fig.2Curve of load-deflection for L4

圖3 L5彎矩-鋼筋應變圖Fig.3Curve of load-strain for L3

3 試驗結果分析

3.1 平截面假定驗證

本次試驗采用的是銅豆結合黏貼混凝土應變片的方法測量試驗梁跨中沿梁高方向混凝土的平均應變，圖4和圖5為L1、L6的混凝土應變分布情況．從圖4和圖5可以看出配置600MPa級高強鋼筋混凝土梁截面的平均應變基本上符合平截面假定，基于此假定，對于以下的承載能力以及撓度的計算，可以按照《規范》的公式進行驗算．

3.2 受彎承載能力分析

由表4數據可見，若是取混凝土和鋼筋的實測強度來計算受彎梁的承載能力，它們能較好地與試驗實測值相吻合，Muexp/Mucal1比值均在1.15以下，由此可見，配置600 MPa級鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力仍然可以按照《規范》中規定的公式來進行計算．

同樣，若是取混凝土和鋼筋的設計值（這里暫定600MPa級鋼筋的設計強度為520 MPa）計算受彎梁的承載能力，其比值都在1.41～1.69之間，變異系數為0.86%．由此可見當600MPa級鋼筋的設計強度取520MPa時，采用《規范》計算受彎構件的承載力具有足夠的安全儲備．

圖4 L1截面應變分布圖Fig.4Fig of section strain for L1

圖5 L6截面應變分布圖Fig.5Fig of section strain for L6

3.3 撓度分析

現行的《規范》對于適筋受彎構件使用階段的變形驗算是建立在從截面開裂到構件達到正常使用極限狀態的情況．鋼筋混凝土受彎構件撓度的計算可以按照結構力學的方法計算，與之不同的地方在于其剛度取最小剛度Bs．結合《規范》，撓度計算公式為

正常使用狀態下，試驗梁跨中撓度實測值與按上式計算得到的理論值對比結果如下，見表5．

表4 受彎承載力實測值與計算值對比Tab.4Comparisons of bending capacity between test data and calculating results

表5 實測撓度與計算撓度對比Tab.5Comparisons of deformation between test data and calculating results

從表5結果可以看出，各構件在正常使用極限狀態范圍內的撓度的實測值較計算值偏小，但總體趨勢還是比較吻合，故對于現行的撓度公式適用于600MPa級鋼筋混凝土構件的受彎變形驗算．除此之外，還可以看出試驗梁的配筋率越大，其變形撓度越大，體現出了更好的延性，這是因為隨著配筋率的增大，使用荷載也會相應的提高；按照實測撓度推算的梁長期撓度整體小于撓度限值，即l0/200=3 200/200=16 mm，可見配置600 MPa鋼筋混凝土梁的撓度滿足《規范》撓度限值要求．

4 結論

1）配置600 MPa級鋼筋混凝土梁的受力性能與普通的鋼筋混凝土梁相同，其承載力可以按照《混凝土結構設計規范》中受彎承載力的計算公式計算，并且在設計值取520MPa時，受彎承載力的計算結果具有足夠的安全儲備；

2）正常使用極限狀態下，對于配置600 MPa級鋼筋混凝土梁的撓度的計算值可按《混凝土結構設計規范》中規定的撓度計算公式計算，同時可以滿足使用階段撓度限值的要求；

3）不同縱筋配筋率的情況下，對試驗梁的撓度進行對比，試驗梁的配筋率越高，因正常使用荷載的提高，撓度的變形越大，表現出了更好的延性．

[1]王鐵成，李艷艷．配置500 MPa鋼筋的混凝土梁受彎性能試驗[J]．天津大學學報，2007，40（5）：507-511．

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

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

[4]徐風波．HRB500級鋼筋混凝土梁正截面受力性能試驗及理論研究[D]．長沙：湖南大學，2007．

[5]徐有鄰．我國混凝土結構用鋼筋的現狀及發展[J]．土木工程學報，1999，32（5）：3-9．

[6]李愛文．配HRBF500鋼筋混凝土梁受彎承載能力試驗研究及可靠度分析[D]．泉州：華僑大學，2011．

[7]周建民．高強鋼筋混凝土梁短期變形計算方法研究[J]．同濟大學學報，2013，41（4）：503-509．

[8]李艷艷，李強，戎賢．高強鋼筋聚丙烯纖維混凝土梁正常使用極限狀態可靠度分析[J]．混凝土，2011（7）：34-36．

[責任編輯 楊屹]

Experimental study on bending behavior of reinforced concrete beam with 600 MPa steel bar

RONG Xian，WANG Haitao，LIU Ping

(School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjian 300401,China)

An investigation was done on the bending behavior of concrete beam reinforced with 600 MPa steel bars.And then the formulas about bearing capacity and deformation in Code for Design of Concrete structures(GB50010-2010) were verified.At the same time the test results were compared with the results of concrete beam reinforced with 500 MPa steel bars.The test results indicate that concrete beams with 600 MPa steel bars can work as well as the common members, their ductility is good.The formulas in Design of Concrete structures(GB50010-2010)are appropriate.

600 MPa steel bar;reinforced concrete beam;bending capacity;reinforcement ratio;deformation

TU375

A

1007-2373(2015)05-0086-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.018

2015-04-11

河北省高等學校科學技術研究重點項目（ZD2010123）；河北省交通運輸廳科技計劃項目（Y-2011052，Y-2012041）；河北省建設科學技術研究計劃（2014-123）

戎賢（1965-），男（漢族），教授，博士．