配置500MPa鋼筋的后張有粘結預應力混凝土梁抗彎性能研究

董理

（中機國際工程設計研究院有限責任公司　湖南　長沙　410000）

配置500MPa鋼筋的后張有粘結預應力混凝土梁抗彎性能研究

董理

（中機國際工程設計研究院有限責任公司湖南長沙410000）

500MPa級鋼筋；裂縫性能；跨中撓度

引言

HRB500級鋼筋是一種熱軋帶肋鋼筋，其抗拉屈服強度標準值為500MPa，極限抗拉強度超過630MPa，該鋼材強度高、延性好。鑒于高層、大跨混凝土結構對鋼筋強度有更高的安全性和使用性要求，預應力混凝土梁得到了較廣泛的推廣應用。現行混凝土規范已經列出500MPa高強鋼筋，以滿足混凝土結構對鋼筋強度的要求。

混凝土結構中鋼筋和混凝土的強度不斷得到提高，使截面尺寸變小，從而造成了構件剛度降低，在使用階段裂縫寬度和撓度增大，影響結構的正常使用和耐久性能。作者對5根500MPa高強鋼筋混凝土梁進行了試驗研究，評估規范GB50010-2010相應計算公式的適用性。

1　試驗方案

1.1試件制作和試驗方法

總共完成了5根梁受彎性能試驗，試件尺寸均為250×450，混凝土設計強度等級為C40，預應力筋為1×7標準型公稱直徑為φs15.2的低松弛鋼絞線，OVM錨固體系，張拉段和固定端錨具為M15，直線布置，單端張拉。預應力筋孔道成型方式為預埋JBG-55B型金屬波紋管，波紋管內徑55mm。張拉后灌M30水泥漿（水灰比約為0.4，內摻U型混凝土膨脹劑和Sika V2型高效減水劑）。如表1所示。

表1　試件詳情表

單調分級加載制度，每加一級荷載之后，持荷10min，待荷載穩定后采集數據。加載按純彎段的設計計算控制彎矩為參照，按照混凝土靜力加載方法進行，試驗梁開裂前，每級所加荷載約為0.05Pu（Pu為計算極限荷載），以便監測開裂荷載值。試驗梁開裂后，加荷級差可增至0.1Pu。構件開裂前后及破壞時適當延長持荷時間，待變形穩定后繼續加載，正常使用試驗荷載下，包括觀測記錄時間，持荷30min左右。加載至0.9Pu時改為1/20Pu加載直至破壞。

1.2試驗結果及其分析

1.2.1加載過程及變形特點

開始加載時（M=0.1Mu～0.2Mu），截面未開裂，構件表現為彈性變形特征。撓度增長近似為線性，鋼筋和混凝土應變增長也為線性。

當荷載加至（M=0.2Mu～0.3Mu）時，在跨中截面（純彎段）發現一條或多條垂直裂縫，裂縫首先出現在構件邊緣處，一般側面裂縫與底面裂縫可以貫通，高度一般可達到梁高的1/4，裂縫寬度很小。此時荷載撓度曲線有明顯轉折，鋼筋應力較開裂前有明顯增大。這一階段，構件變形雖表現為曲線特征，但總的來說，變形和構件持荷都較為穩定。

隨著荷載進一步增加，純彎段裂縫逐漸增多，并向上發展，寬度也逐漸增大，斜裂縫也出現。當荷載加至0.4Mu～0.5Mu時，裂縫出齊，但還會進一步開展。繼續加載，裂縫寬度增大，裂縫高度增加并不多，撓度進一步發展。在0.8Mu時的撓跨比一般在1/260～1/210。

荷載加至接近Mu時，從鋼筋應變可以看出鋼筋進入流塑狀態，荷載撓度曲線亦發生轉折，構件臨近破壞。

繼續增加荷載，梁撓度增加很快，跨中一條裂縫寬度迅速增加直至混凝土被壓碎。

1.2.2受彎承載力計算

采用500MPa鋼筋作為后張有粘結預應力混凝土梁的縱向受拉非預應力筋，當試驗梁達到極限狀態時，非預應力筋均能屈服。

式中：α1、β1為與混凝土強度等級有關的計算系數，按規范GB50010-2010取值；

as′為受壓非預應力筋重心至受壓區混凝土邊緣的距離，本次試驗均取33mm；

x為中和軸高度；

σps為極限狀態時鋼絞線的應力，需根據平截面假定和應變協調條件計算得到。包括兩部分：鋼絞線合力點處混凝土壓應力為零時的應力σp0=σpe+αpσpc1和按平截面假定確定的附加應力Epεcu（hp-x）/x，因此有：

表2　試件彎矩詳情表

1.2.3平均裂縫間距

規范GB50010-2002中的平均裂縫間距計算公式為：

式中：c為最外層受拉非預應力筋保護層厚度，本次試驗實測值均為30mm；

ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；

deq為縱向受拉鋼筋的等效直徑。

ni為受拉區第i種縱向鋼筋的根數；

di為受拉區第i種縱向鋼筋的公稱直徑；

vi為受拉區第i種縱向鋼筋的相對粘結特性系數。

表3　平均裂縫間距實測值與計算值對比表

1.2.4短期裂縫寬度計算

規范GB50010-2010中最大裂縫寬度計算公式的基本模式是：先確定短期荷載作用下的平均裂縫間距和平均裂縫寬度，然后按裂縫寬度變異性的統計資料，給出一定保證率下的裂縫寬度作為最大裂縫寬度，并進一步考慮荷載長期作用的影響作為最終的計算值。規范中的裂縫寬度指的是梁側表面受拉非預應力筋重心水平位置處的裂縫寬度。

若采用計算最外層非預應力筋應力的計算模式，則由圖1所示，建立平衡方程和應變協調條件如下：

圖1　裂縫寬度與鋼筋應力關系圖

2　結論

本文通過對于配有HRB500級鋼筋預應力梁抗彎試驗研究和理論分析得到以下結論：

（1）配置高強鋼筋的后張有粘結預應力混凝土梁在達到受彎極限狀態時，500MPa鋼筋均可屈服，鋼筋的強度得以充分發揮。按平截面假定和應變協調條件計算的受彎承載力與實測值吻合較好

（3）通過計算最外層非預應力筋應力進而計算裂縫寬度，最大裂縫寬度計算值與實測值吻合較好，但該計算模式無法體現鋼絞線對平均裂縫間距的影響。

[1]中華人民共和國建設部《.混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

TU755

A

1673-0038（2015）29-0071-03

2015-6-15

董理（1986-），男，助理工程師，研究生，主要從事結構工程工作。