抗腐蝕鋼筋受彎構件裂縫寬度試驗研究

李楊，方治弘，夏海洋

（重慶大學土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

2009年頒布的《鋼鐵產業調整和振興計劃》建議加速淘汰強度335MPa熱軋帶肋鋼筋及在地震多發地區結構采用強度400MPa及以上強度鋼筋[1]；2015年修訂版的《鋼鐵產業調整政策》提出了“大力推廣應用高強度、耐腐蝕、耐高溫、長壽命等高性能鋼材，深入推廣400MPa鋼筋，試點示范使用500MPa及以上的高強抗震鋼筋、耐候耐火耐腐蝕鋼筋等”[2]；我國南海在進行人工島礁建設，這促進了抗腐蝕鋼筋的應用；我國每年因鋼筋腐蝕而導致的經濟損失超過千億，因此使用抗腐蝕鋼筋混凝土結構具有重要的意義[3]。由于目前國產的抗腐蝕鋼筋強度較高，但彈性模量較低，配置該類鋼筋構件的受力性能，特別是受彎構件裂縫寬度究竟如何至關重要。我國規范GB50010-2015使用的裂縫寬度計算公式是以配置HRB335MPa級鋼筋梁、以及一部分采用HPB235鋼筋梁的裂縫寬度試驗數據作為依據建立的。盡管在2010版規范修訂時，進行了一批配置HRB500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度試驗，并根據與國外規范裂縫寬度計算公式對比分析的基礎上對我國規范的裂縫寬度計算公式進行了修正，但公式是否適應配置抗腐蝕500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度計算有待驗證；此外，其他國內的規程以及國外主要規范的裂縫寬度計算公式是否滿足500MPa級抗腐蝕鋼筋梁裂縫寬度亦值得探索。

1 試驗方案

1.1 試件設計

本課題組采用的鋼筋類型為國產抗腐蝕鋼筋，鋼筋的名義屈服強度與我國HRB500MPa級鋼筋的屈服強度相近，但該鋼筋的性能與HRB鋼筋有明顯的不同[4]：

（1）與普通HRB系列鋼筋相比，鋼筋的應力應變曲線沒有明顯的屈服平臺；

（2）鋼筋沒有明顯的屈服點，非線性特征比HRB鋼筋明顯，鋼筋的比例極限約為名義屈服強度的36%～60%之間；

（3）鋼筋的彈性模量明顯比HRB鋼筋的低，約為110～150kPa。

本次試驗梁的試件信息如表1所示。

表1 試驗試件基本參數

1.2 加載與測量方案

在正式加載前進行預加載。正式加載時，每加載一次在電腦上采集一次數據。正式加載時以0.6倍開裂荷載為界，0.6倍開裂荷載前，以每次0.2倍開裂荷載的速度進行加載，達到0.6倍開裂荷載后，以每次0.1倍開裂荷載的速度進行加載，直到試件開裂并找到開裂荷載。

當荷載達到正常使用荷載時，持荷10min后量取裂縫間距并讀取裂縫寬度。為了比較完整地了解梁整個破壞過程的裂縫發展情況，即使在達到正常使用荷載之前，也每隔三級加載（即每隔0.15倍的極限荷載）測量一次裂縫寬度。試件的加載及測點布置如圖1所示。

圖1 試件的加載示意圖及測點布置圖

2 試驗結果

2.1 試件極限荷載及破壞形態

加載至0.4至0.6倍極限荷載時，梁的裂縫基本出齊。加載至1.0至1.2倍極限荷載時，梁的撓度已經明顯增大，構件接近破壞。隨著荷載的增加，梁的撓度和梁純彎段內的主裂縫寬度急劇增加，受壓區的混凝土發生開裂脫落，梁隨即完全破壞。

各試件的開裂荷載、極限承載力及破壞荷載見表2。

表2 試件主要試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 裂縫計算模式

我國《混凝土結構設計規范》裂縫寬度計算考慮了構件的受力方式、鋼筋等效應力、混凝土邊緣厚度、縱向受拉鋼筋的直徑和配筋率等因素。通過試驗研究得出的規范裂縫寬度計算技術路線大體如下：先由試驗梁在正常使用荷載狀態下的裂縫間距及裂縫寬度試驗數據，經統計確定短期荷載作用下的平均裂縫間距，再考慮其他因素得出平均裂縫寬度；經統計給出具有95%保證率下的裂縫寬度作為短期荷載作用下的最大裂縫寬度[4]。

3.2 試驗數據對比與分析

3.2.1 平均裂縫間距

本次試驗梁實測裂縫間距與規范公式計算值的比較見表3，所列的裂縫間距是裂縫出齊后的間距。表中n表示除去次生裂縫后的裂縫條數，即主裂縫條數。為平均裂縫間距實測值，為按規范GB50010-2010計算的平均裂縫間距。

表3 正常使用加載下試驗梁平均裂縫間距比較

由表3的變異系數為0.249可知：四根試驗梁實測值離散性較大，與規范公式計算值吻合度不高。這與本次試驗數據太少有關，建議增多該類型鋼筋梁的試驗以確定裂縫間距的分布規律。

3.2.2 裂縫寬度計算值與實測值的比較

圖2裂縫寬度計算值與實測值的比較

（2）對受彎構件，規范給出的短期裂縫寬度擴大系數τs為1.66。根據統計學正態分布函數，當保證率為95%時，=+1.645σ。本試驗中L-4、L-10和L-11的分別為0.249、0.182和0.217，σ為0.061、0.052和0.073。故可得出三根試驗梁的擴大系數τs為1.406、1.472和1.552?？梢?，試驗梁的τs與規范相差較大，應該加以修正。

3.2.3 采用其他規范計算結果對比

現在國內外使用的規范、規程的裂縫計算公式對配置500MPa抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度的計算公式修改具有指導意義，因此將試驗梁數據帶入規范、規程公式進行計算和對比，得到圖3。

圖3 規范計算裂縫寬度與實測寬度對比圖

考慮到各規范、規程的裂縫計算公式考慮因素不同可能會對裂縫寬度的計算準確性造成影響，因此綜合各個規范裂縫計算公式相關因素進行統計列表，見表4，從變化的影響裂縫開展的因素中找出可修正的相關因素前的系數。參考的規范有：規范GB 50010-2010[5]，規范SL191—2008[6]，規范TB 10092-2017[7]，規范JTG-2012[8]，規范EN1992-1-1[9]，規范ACI318-14[10]。

表4 國內外規范（規程）公式考慮因素

由圖3可知，規范GB 50010-2010的計算裂縫寬度在L10的裂縫寬度上符合較好，但是L11上明顯偏大；歐洲規范EN1992-1-1短期裂縫的計算公式計算結果在L10上明顯偏大，但是在L11上符合較好；L-4的波動性較強，但是還是在兩規范計算寬度的包絡內?？傮w來說，規范GB 50010-2010以及規范EN 1992-1-1都較實際結果偏于保守，但是不經濟；表4表明GB 50010-2010與EN 1992-1-1在計算裂縫時考慮了幾乎所有因素變化的影響，因此在計算理論裂縫寬度時具有較高的準確性。所以建議根據EN 1992-1-1以及GB 50010-2010對適應配置500MPa級抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度計算公式進行修改。

縱向受拉鋼筋應變不均勻系數ψ反映了裂縫間受拉混凝土對構件受拉力所做的貢獻，ψ越大，反映混凝土參與受拉工作程度越大。肋紋越淺，鋼筋與混凝土的結合越弱，混凝土參與受拉工作的程度越低。ψ為試驗擬合得出，我國規范的裂縫研究又是基于低強度的普通鋼筋，考慮到修正ψ的困難，且構件受力特征系數αcr也可以反映到ψ中，因此可以考慮從αcr中修正。由于抗腐蝕鋼筋的彈性模量大致為普通鋼筋50%，鋼筋表面為了防腐做的比有浮銹的鋼筋更為光滑且生產的肋紋較淺，因此規范得出的計算值較裂縫寬度實測值大，為充分利用該鋼筋的抗腐蝕特性，且滿足實際運用，可以考慮放寬裂縫寬度限值至一類環境的允許限值0.3mm。

由于本次試件數梁少，有效的試驗數據不多，主要是發現了采用強度高、但彈性模量偏低的抗腐蝕鋼筋，在正常使用荷載作用下梁的裂縫寬度將會明顯增大，若后續研究工作能得到支持，將對影響抗腐蝕鋼筋梁的統計數據進行統計回歸，擬合出適用于配置抗腐蝕鋼筋構件的相關裂縫寬度計算公式，至于配置這類鋼筋梁的裂縫寬度的限值，則需要今后開展相關的研究工作。

4 結論和建議

根據試驗結果，得出如下結論：

（1）試驗梁的擴大系數τs為1.406、1.472和1.552，試驗梁的擴大系數與規范的擴大系數τs=1.66相差較大，應該加以修正；

（2）根據各國規范公式計算的裂縫寬度與試驗結果的對比情況，建議參照規范GB 50010-2015和規范EN 1992-1-1對配置500MPa級抗腐蝕鋼筋的裂縫公式進行修正；

（3）考慮到抗腐蝕鋼筋的彈性模量偏低，且肋光滑、無浮銹，建議修小構件受力特征系數αcr；

（4）為了充分發揮鋼筋的抗腐蝕性能，可以放寬配置抗腐蝕鋼筋的構件裂縫寬度限值至0.3mm；

（5）建議增多對配置抗腐蝕鋼筋梁的研究，以進一步修正和完善規范的裂縫計算公式。