抗腐蚀钢筋受弯构件裂缝宽度试验研究

李杨，方治弘，夏海洋

（重庆大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

2009年颁布的《钢铁产业调整和振兴计划》建议加速淘汰强度335MPa热轧带肋钢筋及在地震多发地区结构采用强度400MPa及以上强度钢筋[1]；2015年修订版的《钢铁产业调整政策》提出了“大力推广应用高强度、耐腐蚀、耐高温、长寿命等高性能钢材，深入推广400MPa钢筋，试点示范使用500MPa及以上的高强抗震钢筋、耐候耐火耐腐蚀钢筋等”[2]；我国南海在进行人工岛礁建设，这促进了抗腐蚀钢筋的应用；我国每年因钢筋腐蚀而导致的经济损失超过千亿，因此使用抗腐蚀钢筋混凝土结构具有重要的意义[3]。由于目前国产的抗腐蚀钢筋强度较高，但弹性模量较低，配置该类钢筋构件的受力性能，特别是受弯构件裂缝宽度究竟如何至关重要。我国规范GB50010-2015使用的裂缝宽度计算公式是以配置HRB335MPa级钢筋梁、以及一部分采用HPB235钢筋梁的裂缝宽度试验数据作为依据建立的。尽管在2010版规范修订时，进行了一批配置HRB500MPa级钢筋梁的裂缝宽度试验，并根据与国外规范裂缝宽度计算公式对比分析的基础上对我国规范的裂缝宽度计算公式进行了修正，但公式是否适应配置抗腐蚀500MPa级钢筋梁的裂缝宽度计算有待验证；此外，其他国内的规程以及国外主要规范的裂缝宽度计算公式是否满足500MPa级抗腐蚀钢筋梁裂缝宽度亦值得探索。

1 试验方案

1.1 试件设计

本课题组采用的钢筋类型为国产抗腐蚀钢筋，钢筋的名义屈服强度与我国HRB500MPa级钢筋的屈服强度相近，但该钢筋的性能与HRB钢筋有明显的不同[4]：

（1）与普通HRB系列钢筋相比，钢筋的应力应变曲线没有明显的屈服平台；

（2）钢筋没有明显的屈服点，非线性特征比HRB钢筋明显，钢筋的比例极限约为名义屈服强度的36%～60%之间；

（3）钢筋的弹性模量明显比HRB钢筋的低，约为110～150kPa。

本次试验梁的试件信息如表1所示。

表1 试验试件基本参数

1.2 加载与测量方案

在正式加载前进行预加载。正式加载时，每加载一次在电脑上采集一次数据。正式加载时以0.6倍开裂荷载为界，0.6倍开裂荷载前，以每次0.2倍开裂荷载的速度进行加载，达到0.6倍开裂荷载后，以每次0.1倍开裂荷载的速度进行加载，直到试件开裂并找到开裂荷载。

当荷载达到正常使用荷载时，持荷10min后量取裂缝间距并读取裂缝宽度。为了比较完整地了解梁整个破坏过程的裂缝发展情况，即使在达到正常使用荷载之前，也每隔三级加载（即每隔0.15倍的极限荷载）测量一次裂缝宽度。试件的加载及测点布置如图1所示。

图1 试件的加载示意图及测点布置图

2 试验结果

2.1 试件极限荷载及破坏形态

加载至0.4至0.6倍极限荷载时，梁的裂缝基本出齐。加载至1.0至1.2倍极限荷载时，梁的挠度已经明显增大，构件接近破坏。随着荷载的增加，梁的挠度和梁纯弯段内的主裂缝宽度急剧增加，受压区的混凝土发生开裂脱落，梁随即完全破坏。

各试件的开裂荷载、极限承载力及破坏荷载见表2。

表2 试件主要试验结果

3 试验结果分析

3.1 裂缝计算模式

我国《混凝土结构设计规范》裂缝宽度计算考虑了构件的受力方式、钢筋等效应力、混凝土边缘厚度、纵向受拉钢筋的直径和配筋率等因素。通过试验研究得出的规范裂缝宽度计算技术路线大体如下：先由试验梁在正常使用荷载状态下的裂缝间距及裂缝宽度试验数据，经统计确定短期荷载作用下的平均裂缝间距，再考虑其他因素得出平均裂缝宽度；经统计给出具有95%保证率下的裂缝宽度作为短期荷载作用下的最大裂缝宽度[4]。

3.2 试验数据对比与分析

3.2.1 平均裂缝间距

本次试验梁实测裂缝间距与规范公式计算值的比较见表3，所列的裂缝间距是裂缝出齐后的间距。表中n表示除去次生裂缝后的裂缝条数，即主裂缝条数。为平均裂缝间距实测值，为按规范GB50010-2010计算的平均裂缝间距。

表3 正常使用加载下试验梁平均裂缝间距比较

由表3的变异系数为0.249可知：四根试验梁实测值离散性较大，与规范公式计算值吻合度不高。这与本次试验数据太少有关，建议增多该类型钢筋梁的试验以确定裂缝间距的分布规律。

3.2.2 裂缝宽度计算值与实测值的比较

图2裂缝宽度计算值与实测值的比较

（2）对受弯构件，规范给出的短期裂缝宽度扩大系数τs为1.66。根据统计学正态分布函数，当保证率为95%时，=+1.645σ。本试验中L-4、L-10和L-11的分别为0.249、0.182和0.217，σ为0.061、0.052和0.073。故可得出三根试验梁的扩大系数τs为1.406、1.472和1.552。可见，试验梁的τs与规范相差较大，应该加以修正。

3.2.3 采用其他规范计算结果对比

现在国内外使用的规范、规程的裂缝计算公式对配置500MPa抗腐蚀钢筋梁的裂缝宽度的计算公式修改具有指导意义，因此将试验梁数据带入规范、规程公式进行计算和对比，得到图3。

图3 规范计算裂缝宽度与实测宽度对比图

考虑到各规范、规程的裂缝计算公式考虑因素不同可能会对裂缝宽度的计算准确性造成影响，因此综合各个规范裂缝计算公式相关因素进行统计列表，见表4，从变化的影响裂缝开展的因素中找出可修正的相关因素前的系数。参考的规范有：规范GB 50010-2010[5]，规范SL191—2008[6]，规范TB 10092-2017[7]，规范JTG-2012[8]，规范EN1992-1-1[9]，规范ACI318-14[10]。

表4 国内外规范（规程）公式考虑因素

由图3可知，规范GB 50010-2010的计算裂缝宽度在L10的裂缝宽度上符合较好，但是L11上明显偏大；欧洲规范EN1992-1-1短期裂缝的计算公式计算结果在L10上明显偏大，但是在L11上符合较好；L-4的波动性较强，但是还是在两规范计算宽度的包络内。总体来说，规范GB 50010-2010以及规范EN 1992-1-1都较实际结果偏于保守，但是不经济；表4表明GB 50010-2010与EN 1992-1-1在计算裂缝时考虑了几乎所有因素变化的影响，因此在计算理论裂缝宽度时具有较高的准确性。所以建议根据EN 1992-1-1以及GB 50010-2010对适应配置500MPa级抗腐蚀钢筋梁的裂缝宽度计算公式进行修改。

纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ反映了裂缝间受拉混凝土对构件受拉力所做的贡献，ψ越大，反映混凝土参与受拉工作程度越大。肋纹越浅，钢筋与混凝土的结合越弱，混凝土参与受拉工作的程度越低。ψ为试验拟合得出，我国规范的裂缝研究又是基于低强度的普通钢筋，考虑到修正ψ的困难，且构件受力特征系数αcr也可以反映到ψ中，因此可以考虑从αcr中修正。由于抗腐蚀钢筋的弹性模量大致为普通钢筋50%，钢筋表面为了防腐做的比有浮锈的钢筋更为光滑且生产的肋纹较浅，因此规范得出的计算值较裂缝宽度实测值大，为充分利用该钢筋的抗腐蚀特性，且满足实际运用，可以考虑放宽裂缝宽度限值至一类环境的允许限值0.3mm。

由于本次试件数梁少，有效的试验数据不多，主要是发现了采用强度高、但弹性模量偏低的抗腐蚀钢筋，在正常使用荷载作用下梁的裂缝宽度将会明显增大，若后续研究工作能得到支持，将对影响抗腐蚀钢筋梁的统计数据进行统计回归，拟合出适用于配置抗腐蚀钢筋构件的相关裂缝宽度计算公式，至于配置这类钢筋梁的裂缝宽度的限值，则需要今后开展相关的研究工作。

4 结论和建议

根据试验结果，得出如下结论：

（1）试验梁的扩大系数τs为1.406、1.472和1.552，试验梁的扩大系数与规范的扩大系数τs=1.66相差较大，应该加以修正；

（2）根据各国规范公式计算的裂缝宽度与试验结果的对比情况，建议参照规范GB 50010-2015和规范EN 1992-1-1对配置500MPa级抗腐蚀钢筋的裂缝公式进行修正；

（3）考虑到抗腐蚀钢筋的弹性模量偏低，且肋光滑、无浮锈，建议修小构件受力特征系数αcr；

（4）为了充分发挥钢筋的抗腐蚀性能，可以放宽配置抗腐蚀钢筋的构件裂缝宽度限值至0.3mm；

（5）建议增多对配置抗腐蚀钢筋梁的研究，以进一步修正和完善规范的裂缝计算公式。