張 龍，段文峰

1南京理工大學(xué) 土木工程系,南京 210094 2南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院,江蘇 泰州 225300 3吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用20年后普遍出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象,鋼筋銹蝕會降低結(jié)構(gòu)的安全性能,減少建筑物的使用壽命[1].近些年,國內(nèi)大量不合格海砂和氯離子含量高的河水違規(guī)使用加劇了鋼筋銹蝕,這一現(xiàn)象在沿海地區(qū)特別明顯,鋼筋銹蝕已成為混凝土結(jié)構(gòu)的重大安全隱患.

不銹鋼耐腐蝕性通常是普通碳素鋼筋的60倍[2],通過使用不銹鋼鋼筋替代普通碳素鋼筋,可以有效阻止鋼筋和氯離子發(fā)生反應(yīng),延長建筑物使用壽命,減小后期維護(hù)費用.目前國內(nèi)外研究者主要集中在不銹鋼混凝土構(gòu)件的抗腐蝕性能研究,鮮有對不銹鋼混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能研究.梁愛華等[3]人采用304不銹鋼筋進(jìn)行裂縫試驗,并將裂縫寬度實測值與美國ACI318-89以及英國BS8110中裂縫寬度公式的計算值進(jìn)行比較.張國學(xué)等[4]人對日本制造的SUS304不銹鋼筋混凝土梁進(jìn)行了正截面承載力試驗,研究了梁的裂縫和撓度.李承昌等[5]人對9個配置國產(chǎn)不銹鋼筋的試件進(jìn)行了粘結(jié)性能試驗，并與HRB335鋼筋對比分析.目前混凝土規(guī)范中尚未規(guī)定配置不銹鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法,為消除工程中使用國產(chǎn)不銹鋼鋼筋的顧慮,明確不銹鋼筋混凝土梁受彎性能,本文對配置國產(chǎn)不銹鋼筋混凝土梁受彎性能進(jìn)行研究.

1 實驗方案

1.1 試件制作

本次試驗制作的混凝土梁尺寸如圖1所示,試件長度2 000 mm,截面寬度150 mm,高度200 mm,混凝土保護(hù)層厚度25 mm.其中,BKW-1，BKW-2為2根S304不銹鋼筋混凝土梁,PKW-1,PKW-2為2根普通鋼筋混凝土梁,試件配筋見表1.混凝土強(qiáng)度等級均采用C 35.

圖1 混凝土梁尺寸(單位：mm)Fig.1 The size of concrete beams(unit：mm)

表1 混凝土梁配筋信息Table 1 Reinforcement information of concrete beams

1.2 加載方案

試驗梁采用頂面三等分點加集中荷載,由液壓千斤頂通過分配梁加載的方式實現(xiàn).試驗中為測定混凝土和鋼筋的應(yīng)變,在每根鋼筋中間部位對稱粘貼兩個BX120-3AA的應(yīng)變片,并用環(huán)氧樹脂密封.混凝土應(yīng)變片粘貼在鋼筋混凝土梁跨中側(cè)面,沿高度均勻分布,粘貼位置如圖2所示.

1-50T反力剛架；2-50T力傳感器；3-50T千斤頂；4-工字鋼梁；5混凝土應(yīng)變片；6-位移計圖2 試件梁加載裝置示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of specimen beam loading device(unit：mm)

2 材料基本性能

本次試驗梁BKW-1,BKW-2底部縱向鋼筋采用國產(chǎn)奧氏體S304(06Cr19Ni10)不銹鋼螺紋鋼筋,其化學(xué)成分見表2,混凝土強(qiáng)度等級為C35,采用海螺牌42.5水泥配置,配合比詳見表3.

表2 S304不銹鋼鋼筋化學(xué)成分

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

鋼筋基本力學(xué)性能和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗值見表4.

表4 試件材料力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of specimen materials

S304不銹鋼螺紋鋼的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均低于同直徑的普通HRB400鋼筋,斷后延伸率均超過40 %,表現(xiàn)出較好的延性.

3 試驗過程和結(jié)果分析

3.1 試驗過程

試件加載過程如圖3所示，隨荷載的逐級增加,試件PKW系列和BKW系列的裂縫發(fā)展、撓度變形基本相似,根據(jù)裂縫的發(fā)展情況將試驗過程分為3個階段.

(a) BKW-1加載試驗

(b) PKW-1加載試驗

(a) 配置直徑12 mm的S304和HRB400試件梁

(b) 配置直徑14 mm的S304和HRB400試件梁

第1階段：混凝土未裂階段.初始加載時,以ΔP=2 kN加載,梁截面尚未開裂,撓度增長呈線性變化.鋼筋及混凝土應(yīng)變均穩(wěn)定增長.

第2階段：混凝土裂縫發(fā)展階段.當(dāng)外荷載達(dá)到開裂荷載時Pcr(≈10 kN),圖4中荷載-位移曲線出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折點,鋼筋應(yīng)變讀數(shù)明顯增大,通過電子裂縫儀發(fā)現(xiàn)在梁純彎區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)首條豎向裂縫,裂縫出現(xiàn)使混凝土梁截面抗彎剛度降低,荷載-位移曲線斜率出現(xiàn)明顯改變.當(dāng)荷載達(dá)0.3Mu到時,純彎區(qū)間出現(xiàn)多條豎向裂縫,且在試件底部開始出現(xiàn)寬度方向的貫穿裂縫.加載到0.7Mu時,鋼筋接近屈服,支座附近出現(xiàn)斜向裂縫,此時試件的裂縫長度和寬度延伸加快,鋼筋應(yīng)力迅速增加,裂縫的數(shù)量、長度和寬度都有明顯的發(fā)展,試件剛度快速下降.

第3階段：破壞階段.縱向受力鋼筋屈服后,荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯拐點,曲線斜率變化較大,這一階段很少產(chǎn)生新裂縫,已有裂縫寬度不斷增大,隨著試件撓度變形的增大,梁上部受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)橫向裂縫.當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變,混凝土出現(xiàn)剝落,并以梁的裂縫寬度達(dá)到1.5 mm時判定為試件破壞.

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 開裂荷載

對比PKW,BKW開裂荷載可知,鋼筋變化對試驗梁的開裂荷載影響較小,本文參考過鎮(zhèn)海提出的開裂荷載計算公式(1)進(jìn)行開裂荷載計算分析[6],結(jié)果見表5.

表5 試驗梁開裂彎矩實測與計算值對比Table 5 Comparison of measured and calculated cracking moment of test beam

Mcr=γmWoft

(1)

式中,γm為截面抵抗矩塑性影響系數(shù)；Wo為換算截面受拉邊緣彈性抵抗矩；ft混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2.

通過計算發(fā)現(xiàn),PKW-1與BKW-1的開裂荷載均在10 kN左右,PKW-2與BKW-2的開裂荷載在12 kN左右,說明試件梁的開裂荷載與鋼筋種類沒有必然聯(lián)系,計算開裂荷載時并不需要加以區(qū)分兩類試件梁的配筋率由0.9 %提高到1.2 %時,開裂彎矩也相應(yīng)提高,說明配筋率的提高可以延遲試件梁的開裂發(fā)生.可見,梁的配筋率對開裂荷載有一定的影響,計算開裂荷載時需要考慮.

通過試驗對比、理論分析可知，過鎮(zhèn)海等[6]人提出的開裂彎矩計算公式可以對S304不銹鋼筋混凝土梁開裂彎矩進(jìn)行預(yù)估.

3.2.2 極限荷載

根據(jù)材性試驗得到混凝土軸心抗壓強(qiáng)度實測值和鋼筋的屈服強(qiáng)度實測值,由于S304不銹鋼筋材性試驗無明顯屈服平臺,所以在確定其試驗梁ξb時,按規(guī)范推薦的無明顯屈服點公式(2)進(jìn)行計算[7],確定ξb后按我國混凝土規(guī)范推薦的公式(3)計算出各試驗梁的理論極限彎矩Mcu,結(jié)果見表6.

表6 試驗梁的實測及計算值比較Table 6 Comparison of calculated carrying capacityand measured one of testd beams

其中，Mk1采用的材料實測值進(jìn)行計算,Mk2采用的是材料設(shè)計值進(jìn)行計算,其中規(guī)范尚未給出S304不銹鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值,本文采用蘇慶田等[8]人給出的S304鋼筋設(shè)計值作參考.

(2)

(3)

由表6可知,當(dāng)取材料實測值進(jìn)行計算時,PKW的Mu/Mk1的比值在0.89～1.14之間,說明極限彎矩試驗值與計算值吻合度好,可精確估算普通鋼筋試件梁極限荷載;BKW的Mu/Mk1比值1.4～1.6之間,說明按實測值計算時,試件梁已有一定的安全儲備.當(dāng)取規(guī)范給定的材料設(shè)計值進(jìn)行計算,PKW的Mu/Mk2比值在1.7左右,而BKW的Mu/Mk2比值在2.3左右,實測極限彎矩均是理論極限彎矩的2.3倍,說明BKW使用規(guī)范公式設(shè)計時,構(gòu)件正截面承載力偏于保守,BKW安全儲備是PKW的1.4倍.其原因在于：首先,規(guī)范目前沒有給定S304鋼筋的設(shè)計值,不銹鋼鋼筋中各元素的微量變化可能對其材料性能有較大的影響；其次,BKW由于S304不銹鋼具有較好的延性,其撓曲變形較高,梁發(fā)生撓曲變形后壓拱效應(yīng)比較明顯,顯著提高混凝土承載力40 %.

3.2.3 短期荷載作用下?lián)隙扔嬎?/p>

我國現(xiàn)行規(guī)范剛度計算方法是基于普通碳素鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗數(shù)據(jù)分析得到,其是否適用于配置S304不銹鋼筋混凝土梁剛度的計算,必須通過梁的變形試驗數(shù)據(jù)分析現(xiàn)行規(guī)范剛度計算方法的適用性[9].由于試件梁開裂前和屈服后的計算意義不大,本文主要計算S304不銹鋼筋混凝土梁開裂后和屈服前的撓度變形,根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和混凝土規(guī)范給出的短期荷載作用下的剛度計算公式[10],驗證我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范是否適用于S304不銹鋼筋混凝土梁.

(4)

(5)

BKW-1,BKW-2不同荷載對應(yīng)的撓度實測值和計算值見表7.

表7 我國規(guī)范下不同荷載對應(yīng)的撓度值Table 7 Deflection values of different loads under Chinese codes

續(xù)表7

BKW-1撓度實測值和計算值的比值在0.93～1.08區(qū)間,誤差不超過8 %;BKW-2的比值在1.2～1.4區(qū)間,試件撓度變形有足夠的安全儲備,計算結(jié)果略偏保守.現(xiàn)行混凝土規(guī)范中撓度計算可以用來對S304不銹鋼筋混凝土梁的撓度變形進(jìn)行估算.

4 結(jié)論

本文首先進(jìn)行鋼筋、混凝土材料性能試驗,然后對不同配筋率的普通鋼筋混凝土和S304不銹鋼筋混凝土梁的進(jìn)行抗彎試驗，將普通鋼筋混凝土梁和S304不銹鋼筋混凝土梁的試驗現(xiàn)象及結(jié)果進(jìn)行比較,進(jìn)一步明晰S304不銹鋼筋混凝土梁的抗彎性能.主要得出以下結(jié)論：

(1) S304不銹鋼螺紋鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于HRB400鋼筋,具有更高的塑性變形能力,斷后伸長率為40 %,明顯優(yōu)于HRB400鋼筋.

(2) 梁開裂荷載僅隨截面配筋率的增加而提高,而與鋼筋種類無關(guān),因此,其開裂荷載可按我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范計算.

(3) S304不銹鋼筋混凝土梁在加載過程中裂縫和撓度與HRB400鋼筋混凝土梁發(fā)展基本相似,由于不銹鋼材料的高延性,其壓拱效應(yīng)明顯,使S304不銹鋼筋混凝土梁的實際極限承載力比計算值約高40 %,采用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行極限彎矩計算保守.

(4) S304不銹鋼筋混凝土梁撓度變形按我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范進(jìn)行撓度變形計算偏于保守.