高強鋼筋在橋梁工程中的應用與效益分析研究

林若云

(江西省港航造價咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

0 引 言

近年來我國城市化規模持續的在擴大，建筑業、交通業等得到飛躍的發展，建筑業的建筑技術也在不斷革新，新的建筑技術和新型復雜建筑物的出現，對建筑物中材料的性能越來越高，研究發現以往工程中所采用的低強度鋼筋存在浪費資源的現象，為此為解決材料性能問題，高強度的鋼筋被加入到了新的設計規范當中，低級別的鋼筋逐漸被取代。

根據相關的研究表明[1]，如果將我國現在已建的建筑物中的鋼筋改為HRB400或HRB500等級的鋼筋，可以節約鋼材量可達到30%左右。另外由于現在建筑技術的發展、建筑物的復雜程度提高、節能減排政策的要求都使高強度鋼筋成為歷史的必須選擇[2],研究學者們對配置了高強鋼筋的構件也進行了相關的研究，其中有李強[3]對混凝土梁中配置HRB500鋼筋并在混凝土中摻入聚丙烯纖維的構件進行試驗研究，研究發現該構件的受壓性能有了明顯的提高；李艷艷等人[4]對配置高強鋼筋的混凝土梁裂縫進行試驗研究，研究表明采用高強的鋼筋后梁裂縫的出現時間變的較長；周布奎等人[5]對高性能的混凝土梁進行抗彎性能試驗，試驗結果表明，采用了高性能鋼筋可以提高混凝土梁的受彎能力；徐風波[6]對HRB500級鋼筋混凝土梁的正截面受力性能進行研究，研究結果表明：采用高強鋼筋制作的結構構件的正截面承載力、撓度、最大裂縫寬度均能夠滿足規范要求。

目前的研究大多在對配置高強鋼筋的梁柱構件研究，對橋梁工程高強鋼筋的應用研究較少，為此為研究高強鋼筋在橋梁工程中的應用，通過對實際工程中配置高強鋼筋的橋梁進行現場試驗，將現場試驗的結構與理論值進行對比分析并對經濟效益進行分析，希望此研究能為行業的發展提高摻量價值。

1 試件試驗

1.1 試驗試件制作

為探究HRB500級鋼筋的性能，對配有HRB500級鋼筋的混凝土梁進行基本的力學性能試驗，觀察試件的受力性能、裂縫的發展規律及梁擾度。本文采用縮尺模型進行試驗，試件的尺寸為寬度為200 mm，高度為400 mm，長度為3 500 mm的簡支梁，并且為對比高強鋼筋直徑對性能的影響，分別制作梁底鋼筋不同的試件，其中L1的底筋L3為3根18(四級鋼)、頂筋均采用2根14(四級鋼)，箍筋為8@150(三級鋼)。簡支梁的混凝土強度為C30，在試驗的過程中留置150 mm×150 mm×150 mm的標準試塊進行標準養護，待養護完成后進行抗壓試驗，得到混凝土的標準抗壓強度，對鋼筋的屈服強度、拉伸率及抗壓強度等指標進行試驗。試驗結果表明鋼筋的基本力學性能及混凝土抗壓強度均滿足要求。

1.2 試驗加載裝置及加載步驟

研究的試件是簡支梁的正截面抗彎試驗[7]，因此在試驗按正常的簡支梁破壞試驗進行；在試驗的過程中為得到可靠的數據，在梁底的鋼筋上粘貼應變片，在混凝土沿高度方案布置混凝土應變片；同時為了能對量的擾度進行具體的分析，在梁底及梁面的兩端布置百分表；對加載過程中裂縫的發展情況分析通過在梁面上繪制30 mm×30 mm的方格網進行觀察記錄。

試驗加載的時候采用分級加載的方法進行加載，在加載之前先進行預加載，預加載的荷載值設置為20 kN，待預加載結束后進行正式分級加載，每級加載的荷載值為試件開裂荷載的20%，當加載的荷載值達到開裂荷載的90%時，每級加載的荷載值為開裂的5%進行遞增，直到試件破壞停止加載，隨后進行分級卸載。加載的過程中每增加一級荷載時均應持荷10 min進行觀察試件的擾度及裂縫等變化情況。

1.3 試驗結果分析

對配置的高強鋼筋的簡支梁進行破壞試驗發現，其整體的破壞過程與一般的簡支梁破壞過程相似，一個可以分為三個階段，第一階段為彈性工作階段，此階段的試件混凝土為開裂，鋼筋與混凝土的應變均較小，隨著荷載的不斷增加，出現帶裂縫工作階段，該階段混凝土出現裂縫，內部鋼筋應力逐漸增大，構件的擾度增大，同時由于該階段荷載的不斷增加，裂縫的發展迅速，裂縫寬度不斷增大，長度加大，當荷載達到極限荷載的90%時，鋼筋達到屈服，隨后荷載繼續增加，構件的擾度及裂縫發展急劇增長，出現塑性變形，隨后鋼筋被拉斷，混凝土試件破壞。通過對試驗過程中的裂縫進行觀察，發現構件的第一條裂縫出現在純彎段，隨后隨著荷載的增加，在構件表明出現多條細小的裂縫，并且裂縫的寬度及長度隨荷載的增加而增大，當構件破壞時，在構件的表面存在一條主裂縫。從整體來看配置高強鋼筋的混凝土試件裂縫的發展呈穩定狀態，與普通鋼筋的混凝土試件相似，最終的破壞形態也相似。

2 工程概況

本工程為城市高架橋，公路為一級公路，本次現場試驗所研究的橋段上部為現澆板，板的長度為10 m，計算的跨度為9.5 m，板的高度為65 m，頂板的寬度為142.5 m，底板寬度為102.5 m，橋梁本身結構采用C40強度等級的混凝土，路面鋪設0.1 m厚的瀝青混凝土，在橋梁的左副受拉鋼筋為HRB400，右幅受拉鋼筋為HRB500。本文取用于橋梁工程中HRB500鋼筋進行性能的測試，測試的結果如表1所示。

表1 HRB500鋼筋的性能

3 現場試驗

3.1 現場相關荷載計算

在實際工程中的性能，對橋梁工程左右兩幅配置不同鋼筋的橋梁進行對比試驗分析，主要是對橋梁鋼筋的應力、混凝土的應力及橋梁的擾度進行對比分析。在試驗前將橋梁劃分為等長的7段。

針對上述的工程概況對橋梁所受的荷載進行計算，結果表2所示。

表2 橋梁受荷計算

3.2 現場試驗加載方式

在本次計算中以1.3倍的活荷載分項系數為基準，在試驗過程中采用車輛來進行加載，車子的重量為47 t。本次的加載分三次加載，三輛車分別從研究的位置從近到遠開進加載位置，用車輛的停滯時間來模擬加載后的間歇時間，當加載完成后按之前的方式進行卸載，最后對在橋梁鋼筋中、混凝土中及橋梁底布置分應變片及傳感器進行讀數。

3.3 測定點的布置

(1)混凝土應變片的布置

本次試驗混凝土應變片的布置主要布置在橋梁的底部等間距排列，主要是布置在跨中，因為在跨中的彎矩變化最為明顯。

(2)鋼筋應變片的布置

本次試驗鋼筋應變片的布置主要布置在橋梁跨中橫向受力鋼筋上，因為此外的鋼筋受力最大。

(3)位移計的布置

本次試驗位移計的布置主要布置在橋梁的底部等間距排列，主要是布置在跨中，因為在跨中的彎矩變化最為明顯。

3.4 現場測試結果數據對比分析

通過上述的測試點測得在47 t行車荷載加載后的結果，對其進行計算統計處理，繪制下列表格。

從表3的測試結果中可以看出，對于兩幅橋梁的混凝土應力值相差不是很大，兩者的差值在2 MPa，但配置了HRB500鋼筋的橋梁其鋼筋的應力值明顯比配置HRB400鋼筋的橋梁大很多，說明其受力更大，應用的效率也更高，從位移計的測得數據也可以發現，配置HRB500鋼筋的橋梁幾乎不發生彎曲變形，而配置HRB400鋼筋的橋梁其擾度值約為配置HRB500橋梁的4.09倍。將測量的結果與計算的結果進行對比可以發現，測量的應力均未達到計算的允許應力，說明結果安全，但從整體上來看配置HRB500鋼筋的橋梁更具有足夠的安全儲備。

表3 測試的結果對比表

3.5 效益分析

從上述的研究發現，采用高強度的鋼筋能夠給結構帶來更大的安全可靠性，同時還能節約材料，在本工程中經過計算發現配置HRB500鋼筋的橋梁所用的鋼材比配置HRB400鋼筋的橋梁約減少850 kg，約占總的受力鋼筋的14%；從社會的效益角度出發，其鋼材的節省的同時也對環境起到了保護的作用，因為我們在生產鋼筋的時候不可避免的會產生其他行業，例如煤礦業、礦石產業等，本文經過計算發現采用HRB500的橋梁可以節約鐵礦石約1.4 t，可以節約煤礦約0.6 t，節約鋼材的同時也在節約對這些資源的開采，同時還能較少對環境的污染，滿足國家的節能減排方針戰略，因此隨著我們經濟的發展、社會的進步以及建筑業技術的革新，高強鋼筋的使用值得我們推廣。

4 結 論

由于目前對橋梁工程高強鋼筋的應用研究較少，因此通過對實際工程中配置高強鋼筋的橋梁進行現場試驗研究，并對應用后的效益進行分析，研究結果表明：配置HRB500鋼筋的結構不僅能夠較少鋼材還能提高構件中鋼筋及混凝土的使用效率，此外還能使結構擁有更大的安全儲備，隨著我們經濟的發展、社會的進步以及建筑業技術的革新，高強鋼筋的使用值得我們推廣，本文僅對配置高強鋼筋的橋梁結構主要受力方向進行研究，對于橋梁工程其還受到水平力作用，受力體系相對來說比較復雜，因此有關研究還有待繼續推進。