配置600 MPa级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究

戎贤，王海涛，刘平

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

配置600 MPa级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究

戎贤，王海涛，刘平

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

通过对配置600MPa级钢筋混凝土梁进行受弯试验，分析讨论了《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中关于受弯承载力、挠度的公式的适用性，同时与配置普通500 MPa级钢筋混凝土梁的受力性能进行对比．试验结果表明：配置600 MPa级钢筋混凝土梁的受弯特征与普通钢筋混凝土梁相同，均能实现延性破坏，并且在梁受力的正常使用极限状态下，《规范》中关于受弯梁的承载能力、挠度的公式仍能继续沿用．

600 MPa级钢筋；钢筋混凝土梁；受弯承载力；配筋率；挠度

0 引言

600MPa级钢筋俗称五级钢，是利用钒合金、微合金化的钢筋成分和专门的轧制工艺流程制作而成．它较之普通钢筋拥有强度高、延性好、纯度高等优点．若是用600钢筋替代工程中常用的335级钢筋，在相同的受弯承载能力要求下，钢筋的用量会大幅度的减少，具有明显的经济效益和社会效益[1]．在高强钢筋的受力过程中，其必然会处于高应力的状态，按照现行规范《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（以下称为《规范》）计算的构件的挠度能否满足要求，600 MPa级的高强钢筋的优势能否得到充分发挥，还需要进一步的试验研究．为此，需对配置600 MPa级钢筋的混凝土构件进行试验研究，为《混凝土结构设计规范》的修订提供理论和试验依据．

1 试验概况

本试验设计了7根简支梁，构件截面尺寸为200 mm×400 mm，其配筋参数见表1．在试验梁进行制作时，同时预留3个150mm×150mm×150mm的立方体试块，与试验梁在同条件下养护，在试验前在压力试验机上进行混凝土抗压试验，确定混凝土的强度，其强度见表2[2]．纵向钢筋的实测力学性能参数见表3[3]．

表1 试验梁配筋情况Tab.1Reinforcement of beams

表2 混凝土实测材料性能Tab.2The practice stress of concrete

图1 试验梁截面形式及配筋图Fig.1Section and reinforcement of samples

表3 纵向钢筋实测材料性能Tab.3The practice performance of longitudinal steel bars

2 试验现象

图2为L4的弯矩-挠度曲线，图3为L5的弯矩-钢筋应变曲线，可以看出梁在试验过程中的受弯变化．

2.1 混凝土开裂前的未裂阶段

在刚开始加载时，梁承受的弯矩比较小，其变形都表现为线弹性变形特征；随着弯矩的不断增加，钢筋的应力和跨中挠度都缓慢增加，受拉边缘混凝土首先表现出应变较应力增长速度快的塑性特征．

2.2 混凝土开裂之后至钢筋屈服前的裂缝阶段

当弯矩达到Mcr时，在梁的纯弯段内跨中或者加载点对应的梁底混凝土受拉应变达到其极限受拉应变，将出现一条或者多条竖直裂缝，裂缝宽度很小，其高度可达50～150 mm．此时因为混凝土不能在受拉，钢筋应力会突变至很大；梁的弯矩挠度曲线也会出现转折点，其刚度出现退化现象．

继续加载，纯弯段裂缝稳定发展，当弯矩达到0.5Mu左右时，裂缝基本出齐，其高度和宽度逐渐增大；当弯矩达到(0.6～0.7)Mu时，最大的裂缝宽度超过0.2 mm，这表明试验梁已经达到了正常使用极限状态．

2.3 钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段

继续加载，当弯矩达到My时，钢筋应力值达到640～660 N/mm2，标志钢筋屈服，进入流幅阶段，梁的挠度有突变的迹象，裂缝宽度继续增加并向上延伸，中和轴继续上移，受压区高度进一步减小，塑性特征明显．弯矩在增大至峰值，梁底的混凝土裂缝宽度达到1.5 mm，宣告梁的破坏[4-8]．

图2 L4弯矩-挠度曲线Fig.2Curve of load-deflection for L4

图3 L5弯矩-钢筋应变图Fig.3Curve of load-strain for L3

3 试验结果分析

3.1 平截面假定验证

本次试验采用的是铜豆结合黏贴混凝土应变片的方法测量试验梁跨中沿梁高方向混凝土的平均应变，图4和图5为L1、L6的混凝土应变分布情况．从图4和图5可以看出配置600MPa级高强钢筋混凝土梁截面的平均应变基本上符合平截面假定，基于此假定，对于以下的承载能力以及挠度的计算，可以按照《规范》的公式进行验算．

3.2 受弯承载能力分析

由表4数据可见，若是取混凝土和钢筋的实测强度来计算受弯梁的承载能力，它们能较好地与试验实测值相吻合，Muexp/Mucal1比值均在1.15以下，由此可见，配置600 MPa级钢筋混凝土梁正截面受弯承载力仍然可以按照《规范》中规定的公式来进行计算．

同样，若是取混凝土和钢筋的设计值（这里暂定600MPa级钢筋的设计强度为520 MPa）计算受弯梁的承载能力，其比值都在1.41～1.69之间，变异系数为0.86%．由此可见当600MPa级钢筋的设计强度取520MPa时，采用《规范》计算受弯构件的承载力具有足够的安全储备．

图4 L1截面应变分布图Fig.4Fig of section strain for L1

图5 L6截面应变分布图Fig.5Fig of section strain for L6

3.3 挠度分析

现行的《规范》对于适筋受弯构件使用阶段的变形验算是建立在从截面开裂到构件达到正常使用极限状态的情况．钢筋混凝土受弯构件挠度的计算可以按照结构力学的方法计算，与之不同的地方在于其刚度取最小刚度Bs．结合《规范》，挠度计算公式为

正常使用状态下，试验梁跨中挠度实测值与按上式计算得到的理论值对比结果如下，见表5．

表4 受弯承载力实测值与计算值对比Tab.4Comparisons of bending capacity between test data and calculating results

表5 实测挠度与计算挠度对比Tab.5Comparisons of deformation between test data and calculating results

从表5结果可以看出，各构件在正常使用极限状态范围内的挠度的实测值较计算值偏小，但总体趋势还是比较吻合，故对于现行的挠度公式适用于600MPa级钢筋混凝土构件的受弯变形验算．除此之外，还可以看出试验梁的配筋率越大，其变形挠度越大，体现出了更好的延性，这是因为随着配筋率的增大，使用荷载也会相应的提高；按照实测挠度推算的梁长期挠度整体小于挠度限值，即l0/200=3 200/200=16 mm，可见配置600 MPa钢筋混凝土梁的挠度满足《规范》挠度限值要求．

4 结论

1）配置600 MPa级钢筋混凝土梁的受力性能与普通的钢筋混凝土梁相同，其承载力可以按照《混凝土结构设计规范》中受弯承载力的计算公式计算，并且在设计值取520MPa时，受弯承载力的计算结果具有足够的安全储备；

2）正常使用极限状态下，对于配置600 MPa级钢筋混凝土梁的挠度的计算值可按《混凝土结构设计规范》中规定的挠度计算公式计算，同时可以满足使用阶段挠度限值的要求；

3）不同纵筋配筋率的情况下，对试验梁的挠度进行对比，试验梁的配筋率越高，因正常使用荷载的提高，挠度的变形越大，表现出了更好的延性．

[1]王铁成，李艳艳．配置500 MPa钢筋的混凝土梁受弯性能试验[J]．天津大学学报，2007，40（5）：507-511．

[2]GB 50152-2012，混凝土结构试验方法标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[3]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[4]徐风波．HRB500级钢筋混凝土梁正截面受力性能试验及理论研究[D]．长沙：湖南大学，2007．

[5]徐有邻．我国混凝土结构用钢筋的现状及发展[J]．土木工程学报，1999，32（5）：3-9．

[6]李爱文．配HRBF500钢筋混凝土梁受弯承载能力试验研究及可靠度分析[D]．泉州：华侨大学，2011．

[7]周建民．高强钢筋混凝土梁短期变形计算方法研究[J]．同济大学学报，2013，41（4）：503-509．

[8]李艳艳，李强，戎贤．高强钢筋聚丙烯纤维混凝土梁正常使用极限状态可靠度分析[J]．混凝土，2011（7）：34-36．

[责任编辑 杨屹]

Experimental study on bending behavior of reinforced concrete beam with 600 MPa steel bar

RONG Xian，WANG Haitao，LIU Ping

(School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjian 300401,China)

An investigation was done on the bending behavior of concrete beam reinforced with 600 MPa steel bars.And then the formulas about bearing capacity and deformation in Code for Design of Concrete structures(GB50010-2010) were verified.At the same time the test results were compared with the results of concrete beam reinforced with 500 MPa steel bars.The test results indicate that concrete beams with 600 MPa steel bars can work as well as the common members, their ductility is good.The formulas in Design of Concrete structures(GB50010-2010)are appropriate.

600 MPa steel bar;reinforced concrete beam;bending capacity;reinforcement ratio;deformation

TU375

A

1007-2373(2015)05-0086-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.018

2015-04-11

河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZD2010123）；河北省交通运输厅科技计划项目（Y-2011052，Y-2012041）；河北省建设科学技术研究计划（2014-123）

戎贤（1965-），男（汉族），教授，博士．