董理

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司　湖南　長(zhǎng)沙　410000）

配置500MPa鋼筋的后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗彎性能研究

董理

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司湖南長(zhǎng)沙410000）

500MPa級(jí)鋼筋；裂縫性能；跨中撓度

引言

HRB500級(jí)鋼筋是一種熱軋帶肋鋼筋，其抗拉屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為500MPa，極限抗拉強(qiáng)度超過630MPa，該鋼材強(qiáng)度高、延性好。鑒于高層、大跨混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋強(qiáng)度有更高的安全性和使用性要求，預(yù)應(yīng)力混凝土梁得到了較廣泛的推廣應(yīng)用。現(xiàn)行混凝土規(guī)范已經(jīng)列出500MPa高強(qiáng)鋼筋，以滿足混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋強(qiáng)度的要求。

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的強(qiáng)度不斷得到提高，使截面尺寸變小，從而造成了構(gòu)件剛度降低，在使用階段裂縫寬度和撓度增大，影響結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性能。作者對(duì)5根500MPa高強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，評(píng)估規(guī)范GB50010-2010相應(yīng)計(jì)算公式的適用性。

1　試驗(yàn)方案

1.1試件制作和試驗(yàn)方法

總共完成了5根梁受彎性能試驗(yàn)，試件尺寸均為250×450，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)應(yīng)力筋為1×7標(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力筋孔道成型方式為預(yù)埋JBG-55B型金屬波紋管，波紋管內(nèi)徑55mm。張拉后灌M30水泥漿（水灰比約為0.4，內(nèi)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(diào)分級(jí)加載制度，每加一級(jí)荷載之后，持荷10min，待荷載穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。加載按純彎段的設(shè)計(jì)計(jì)算控制彎矩為參照，按照混凝土靜力加載方法進(jìn)行，試驗(yàn)梁開裂前，每級(jí)所加荷載約為0.05Pu（Pu為計(jì)算極限荷載），以便監(jiān)測(cè)開裂荷載值。試驗(yàn)梁開裂后，加荷級(jí)差可增至0.1Pu。構(gòu)件開裂前后及破壞時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)持荷時(shí)間，待變形穩(wěn)定后繼續(xù)加載，正常使用試驗(yàn)荷載下，包括觀測(cè)記錄時(shí)間，持荷30min左右。加載至0.9Pu時(shí)改為1/20Pu加載直至破壞。

1.2試驗(yàn)結(jié)果及其分析

1.2.1加載過程及變形特點(diǎn)

開始加載時(shí)（M=0.1Mu～0.2Mu），截面未開裂，構(gòu)件表現(xiàn)為彈性變形特征。撓度增長(zhǎng)近似為線性，鋼筋和混凝土應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也為線性。

當(dāng)荷載加至（M=0.2Mu～0.3Mu）時(shí)，在跨中截面（純彎段）發(fā)現(xiàn)一條或多條垂直裂縫，裂縫首先出現(xiàn)在構(gòu)件邊緣處，一般側(cè)面裂縫與底面裂縫可以貫通，高度一般可達(dá)到梁高的1/4，裂縫寬度很小。此時(shí)荷載撓度曲線有明顯轉(zhuǎn)折，鋼筋應(yīng)力較開裂前有明顯增大。這一階段，構(gòu)件變形雖表現(xiàn)為曲線特征，但總的來說，變形和構(gòu)件持荷都較為穩(wěn)定。

隨著荷載進(jìn)一步增加，純彎段裂縫逐漸增多，并向上發(fā)展，寬度也逐漸增大，斜裂縫也出現(xiàn)。當(dāng)荷載加至0.4Mu～0.5Mu時(shí)，裂縫出齊，但還會(huì)進(jìn)一步開展。繼續(xù)加載，裂縫寬度增大，裂縫高度增加并不多，撓度進(jìn)一步發(fā)展。在0.8Mu時(shí)的撓跨比一般在1/260～1/210。

荷載加至接近Mu時(shí)，從鋼筋應(yīng)變可以看出鋼筋進(jìn)入流塑狀態(tài)，荷載撓度曲線亦發(fā)生轉(zhuǎn)折，構(gòu)件臨近破壞。

繼續(xù)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(jì)算

采用500MPa鋼筋作為后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的縱向受拉非預(yù)應(yīng)力筋，當(dāng)試驗(yàn)梁達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，非預(yù)應(yīng)力筋均能屈服。

式中：α1、β1為與混凝土強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，按規(guī)范GB50010-2010取值；

as′為受壓非預(yù)應(yīng)力筋重心至受壓區(qū)混凝土邊緣的距離，本次試驗(yàn)均取33mm；

x為中和軸高度；

σps為極限狀態(tài)時(shí)鋼絞線的應(yīng)力，需根據(jù)平截面假定和應(yīng)變協(xié)調(diào)條件計(jì)算得到。包括兩部分：鋼絞線合力點(diǎn)處混凝土壓應(yīng)力為零時(shí)的應(yīng)力σp0=σpe+αpσpc1和按平截面假定確定的附加應(yīng)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(guī)范GB50010-2002中的平均裂縫間距計(jì)算公式為：

式中：c為最外層受拉非預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度，本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)值均為30mm；

ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)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(qū)第i種縱向鋼筋的根數(shù)；

di為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的公稱直徑；

vi為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的相對(duì)粘結(jié)特性系數(shù)。

表3　平均裂縫間距實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表

1.2.4短期裂縫寬度計(jì)算

規(guī)范GB50010-2010中最大裂縫寬度計(jì)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(tǒng)計(jì)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(jìn)一步考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響作為最終的計(jì)算值。規(guī)范中的裂縫寬度指的是梁側(cè)表面受拉非預(yù)應(yīng)力筋重心水平位置處的裂縫寬度。

若采用計(jì)算最外層非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力的計(jì)算模式，則由圖1所示，建立平衡方程和應(yīng)變協(xié)調(diào)條件如下：

圖1　裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力關(guān)系圖

2　結(jié)論

本文通過對(duì)于配有HRB500級(jí)鋼筋預(yù)應(yīng)力梁抗彎試驗(yàn)研究和理論分析得到以下結(jié)論：

（1）配置高強(qiáng)鋼筋的后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁在達(dá)到受彎極限狀態(tài)時(shí)，500MPa鋼筋均可屈服，鋼筋的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。按平截面假定和應(yīng)變協(xié)調(diào)條件計(jì)算的受彎承載力與實(shí)測(cè)值吻合較好

（3）通過計(jì)算最外層非預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力進(jìn)而計(jì)算裂縫寬度，最大裂縫寬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，但該計(jì)算模式無法體現(xiàn)鋼絞線對(duì)平均裂縫間距的影響。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部《.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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(jié)構(gòu)工程工作。