HRBF400级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究

Abstract ： In order to investigate the flexural behavior of concrete beam reinforced with 400 MPa fine grain high steel bars ，the static bending tests on four rectangle cross-section concrete beams were made． Mechanical characteristics ， flexural capacity of normal section ，crack and deflection were analyzed according to present code． The results show that the flexural behavior of concrete beam reinforced with 400 MPa fine grain high steel bars is similar to normal concrete beam ，the average concrete strain of different height keeps plane ； flexural capacity and crack spacing could still be calculated by the current code for their values are close to the tested values． The current code was not suit able for calculating crack width ； deflection value calculated by current code was a little smaller than the test value ， so the stiffness-calculating formula was proposed to multiply 0. 85 for adjustment ； under the state of serviceability ， crack width and deflection meet the requirements of the current code． Keywords ： concrete beam ； HRBF400 steel bars ； flexural behavior ； deflection ； crack
随着经济的发 展， 高强度钢筋在混凝土结构中 得到广泛使用 。 目前在国际上使用的是 400 MPa 等 GB 50010 —2002《混 凝 土 结 构 设 级以上 建 筑 钢 筋，
［1］ 计规范 》 已将 HRB400 级 钢 筋 列 为 现 浇 混 凝 土 结
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试验概况 在进行构件试验前， 对 HRBF400 级钢筋进行拉
［3］
构的主导钢筋 。 高强度钢筋虽然提高了钢筋的强度 和结构的承载力， 降 低 了 用 钢 量， 但 是， 使用高强度 钢筋可能会造成钢筋混凝土构件出现较大裂缝或挠 度， 而无法满足正 常 使 用 极 限 状 态 的 要 求 。 配 置 高 强钢筋的混凝土结构在正常使用阶段能否满足结构 将是高强钢筋应用于实际 适用性和耐久性的 要 求， 研究高强钢筋混凝土 工程应解决的重要 问 题 之 一， 结构的工作性能具 有 重 要 的 理 论 和 工 程 实 际 意 义 。 通过对 4 根 HRBF400 级 钢 筋 混 凝 土 梁 进 行 静 力 抗 弯性能试 验
［2］
* 国家 863 高技术研究发展计划资助项目 （ 2007 AA03Z550 ） 。 1986 年出生， 第一作者：葛文杰， 男， 博士研究生 。
， 对 HRBF400 级 钢 筋 混 凝 土 受 弯 构
E － mail： jshagwj@ yahoo． cn
收稿日期：2010 － 06 － 30
HRBF400 级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究 *
葛文杰 张继文 戴 航 涂永明
210096 ） （ 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 南京
摘
要 ： 对 4 根矩形截面高强钢 筋 混 凝 土 梁 进 行 静 力 抗 弯 试 验， 并结合现行规范分析了构件的受力特
400 MPa 细晶粒高强钢筋混凝土梁的受力特 征 与 普 通 钢 筋 混 凝 正截面承载能力 、 裂缝和挠度 。 结果表明， 征、 混凝土平均应变沿截面保 持 平 面；构 件 实 测 受 弯 承 载 力 和 裂 缝 平 均 间 距 与 规 范 计 算 值 符 合 较 好 ， 土梁相同， 仍可按现行规范进行计算；最大裂缝宽度不适宜按现行规范 进 行 计 算；构 件 挠 度 按 现 行 规 范 计 算 的 理 论 值 较 建议将规范的刚度计算公式乘以 0. 85 的折减系数进行调整；在正常使用状态下构件裂缝 宽 试验实测值稍小， 挠度均满足现行规范要求 。 度、 关键词 ： 混凝土梁； HRBF400 级钢筋；受弯性能；挠度；裂缝
Mechanical performance of concrete
弹性模量 E c 33. 1 × 10
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Table 1
钢筋直径 D / mm 8 12 16
Mechanical performance of steel bars
抗拉强度 f u / MPa 579 558 603 强屈比 fu / fy 1. 43 1. 38 1. 33 弹性模量 延伸率 / E c / GPa 185 185 185 % 31. 7 32. 2 29. 6
Stress-strain curve of steel bars
试验测量主要内容有：跨中 、 两加载点及两支座 开裂荷载 、 极限荷载和各级荷载作用下的 处的位移 、 纵向受拉钢筋及混 凝 土 的 应 变 、 裂缝宽度及裂缝分 布情况 。 2 2. 1 试验现象 截面应变保持平面 钢筋混凝土受弯构件计算理论是以平截面假定 为基本前提的 。 本 次 试 验 通 过 在 梁 侧 粘 贴 铜 头， 用 手持应变仪测得每 级 荷 载 下 铜 头 位 移 的 变 化， 通过 计算得出 混 凝 土 的 平 均 应 变 。 B4D 梁 沿 截 面 高 度 方向混凝土平均应变随荷载变 化 见 图 2 。 从 图 2 可 知， 随着荷 载 的 增 加， 截面的中性轴逐渐地向上移 动， 在各级荷载作用下， 混凝土的平均应变呈线性分 布， 截面应变保持平面， 符合平截面假定 。 2. 2 荷载 － 钢筋应变 / 挠度曲线 试验初期荷载较小， 截面尚未开裂， 构件表现为 弹性变形特征， 钢筋 应 变 和 构 件 挠 度 的 增 长 都 近 似 为直线 。 随着荷载 的 逐 渐 增 大， 在构件纯弯段或加 72
工业建筑
2011 年第 41 卷第 6 期
相同 。 在达到承载能力极限状态时， 受拉钢筋屈服， 破坏前有明显的预兆， 从开始加载到梁正截面破坏， 截面平均应变符合平截面假定 。 表 4 列出了按实测 混凝土强度和钢筋屈服强度运用规范公式计算的极 试 验 实 测 极 限 弯 矩 M u， 限弯矩 值 M u ， t， e 以 及 M u， t / M u， e 比值 。 从表 4 可 以 看 出： 按 规 范 计 算 的 极 限 弯 矩 M u， t 与 试 验 实 测 极 限 弯 矩 M u， e 符 合 较 好，M u ， t /
载点附近出现第一批垂直裂缝， 此时， 构件挠度突然 加大， 随即稳定， 其 增 长 速 度 较 前 一 阶 段 快 。 此 时， 荷载 － 挠度曲线出 现 第 一 个 转 折 点， 钢筋应力较开 裂前明显增大， 荷载 － 钢筋应变曲线也有转折， 这是 因为混凝土开裂， 受拉区混凝土部分退出工作， 原来 由混凝土承受的拉 力 传 递 给 钢 筋， 使钢筋应变突然 钢筋及混凝土应变进一 加大 。 随着荷载继 续 增 大， 步增加， 裂缝条数 增 多， 裂 缝 逐 渐 向 上 发 展， 挠度进 一步发展， 但变化均很稳定 。 随着荷载增大， 钢筋开始屈服， 钢筋荷载 － 应变 曲线出现第二个 转 折 点 。 挠 度 增 长 很 快， 裂缝增长 亦加快， 荷载 － 挠度 曲 线 也 出 现 第 二 个 明 显 的 转 折 点 。 当钢筋进人强化阶段后， 荷载基本不能增长， 而 挠度进一步增长直 至 混 凝 土 被 压 坏， 呈现出明显的 延性 。 其跨中钢筋荷 载 － 应 变 曲 线 如 图 3 所 示， 构 构件破坏情况 件跨中荷载 － 挠度 曲 线 如 图 4 所 示， 如图 5 所示 。
截面尺寸 / mm 2 180 × 300 180 × 300 180 × 300 180 × 300
注： 表示 HRBF400 级钢筋， 表示 HRB335 级钢筋 。
— ■ —8 mm ； — ▲ —60 mm ； — ● —12 mm 图1 Fig． 1 钢筋应力 － 应变曲线
— ■ —9 kN · m ； — ◆ —18 kN · m ； — ▲ —27 kN · m ； — —36 kN · m ； — —45 kN · m ； — —54 kN · m 图2 Fig． 2 混凝土平均应变沿截面高度变化 Average concrete strain of different height
轴心抗压强度 f c 27. 8
抗拉强度 f t 2. 8
屈服强度 f y / MPa 404 405 452
设计制作了 4 根 构 件， 构件的截面尺寸及配筋 情况见表 3 。 采 用 液 压 千 斤 顶 加 载， 通过分配梁实 现三分点加载 。
表3 Table 3
试件编号 B4A B4B B4C B4D 长度 / mm 3 000 3 000 3 000 3 000
伸试验， 以确定钢 筋 的 基 本 力 学 指 标 。 试 验 在 东 南 大学材料与科学试验中心按照 GB / T 228 —2002《金 属材料室温 拉 伸 试 验 方 法 》 进 行， 每种钢筋直径 以确定钢筋的屈服强 各取 3 个试件进行 拉 伸 试 验， 度、 极限强度 、 弹性模量及伸长率 。 测得钢 筋 的 应 力 － 应 变 曲 线 如 图 1 所 示， 力学 HRBF400 级 钢 筋 弹 性 模 量 为 性能见 表 1 。 可 见， 185 GPa ，强屈比均大于 1. 30 ， 具有很好的延性 。 混