S304不锈钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究

张 龙，段文峰

1南京理工大学 土木工程系,南京 210094 2南京理工大学 泰州科技学院,江苏 泰州 225300 3吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

钢筋混凝土结构在使用20年后普遍出现钢筋锈蚀现象,钢筋锈蚀会降低结构的安全性能,减少建筑物的使用寿命[1].近些年,国内大量不合格海砂和氯离子含量高的河水违规使用加剧了钢筋锈蚀,这一现象在沿海地区特别明显,钢筋锈蚀已成为混凝土结构的重大安全隐患.

不锈钢耐腐蚀性通常是普通碳素钢筋的60倍[2],通过使用不锈钢钢筋替代普通碳素钢筋,可以有效阻止钢筋和氯离子发生反应,延长建筑物使用寿命,减小后期维护费用.目前国内外研究者主要集中在不锈钢混凝土构件的抗腐蚀性能研究,鲜有对不锈钢混凝土构件的力学性能研究.梁爱华等[3]人采用304不锈钢筋进行裂缝试验,并将裂缝宽度实测值与美国ACI318-89以及英国BS8110中裂缝宽度公式的计算值进行比较.张国学等[4]人对日本制造的SUS304不锈钢筋混凝土梁进行了正截面承载力试验,研究了梁的裂缝和挠度.李承昌等[5]人对9个配置国产不锈钢筋的试件进行了粘结性能试验，并与HRB335钢筋对比分析.目前混凝土规范中尚未规定配置不锈钢筋混凝土构件的设计方法,为消除工程中使用国产不锈钢钢筋的顾虑,明确不锈钢筋混凝土梁受弯性能,本文对配置国产不锈钢筋混凝土梁受弯性能进行研究.

1 实验方案

1.1 试件制作

本次试验制作的混凝土梁尺寸如图1所示,试件长度2 000 mm,截面宽度150 mm,高度200 mm,混凝土保护层厚度25 mm.其中,BKW-1，BKW-2为2根S304不锈钢筋混凝土梁,PKW-1,PKW-2为2根普通钢筋混凝土梁,试件配筋见表1.混凝土强度等级均采用C 35.

图1 混凝土梁尺寸(单位：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 加载方案

试验梁采用顶面三等分点加集中荷载,由液压千斤顶通过分配梁加载的方式实现.试验中为测定混凝土和钢筋的应变,在每根钢筋中间部位对称粘贴两个BX120-3AA的应变片,并用环氧树脂密封.混凝土应变片粘贴在钢筋混凝土梁跨中侧面,沿高度均匀分布,粘贴位置如图2所示.

1-50T反力刚架；2-50T力传感器；3-50T千斤顶；4-工字钢梁；5混凝土应变片；6-位移计图2 试件梁加载装置示意图(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of specimen beam loading device(unit：mm)

2 材料基本性能

本次试验梁BKW-1,BKW-2底部纵向钢筋采用国产奥氏体S304(06Cr19Ni10)不锈钢螺纹钢筋,其化学成分见表2,混凝土强度等级为C35,采用海螺牌42.5水泥配置,配合比详见表3.

表2 S304不锈钢钢筋化学成分

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

钢筋基本力学性能和混凝土立方体抗压强度试验值见表4.

表4 试件材料力学性能Table 4 Mechanical properties of specimen materials

S304不锈钢螺纹钢的屈服强度和极限强度均低于同直径的普通HRB400钢筋,断后延伸率均超过40 %,表现出较好的延性.

3 试验过程和结果分析

3.1 试验过程

试件加载过程如图3所示，随荷载的逐级增加,试件PKW系列和BKW系列的裂缝发展、挠度变形基本相似,根据裂缝的发展情况将试验过程分为3个阶段.

(a) BKW-1加载试验

(b) PKW-1加载试验

(a) 配置直径12 mm的S304和HRB400试件梁

(b) 配置直径14 mm的S304和HRB400试件梁

第1阶段：混凝土未裂阶段.初始加载时,以ΔP=2 kN加载,梁截面尚未开裂,挠度增长呈线性变化.钢筋及混凝土应变均稳定增长.

第2阶段：混凝土裂缝发展阶段.当外荷载达到开裂荷载时Pcr(≈10 kN),图4中荷载-位移曲线出现较为明显的转折点,钢筋应变读数明显增大,通过电子裂缝仪发现在梁纯弯区间内出现首条竖向裂缝,裂缝出现使混凝土梁截面抗弯刚度降低,荷载-位移曲线斜率出现明显改变.当荷载达0.3Mu到时,纯弯区间出现多条竖向裂缝,且在试件底部开始出现宽度方向的贯穿裂缝.加载到0.7Mu时,钢筋接近屈服,支座附近出现斜向裂缝,此时试件的裂缝长度和宽度延伸加快,钢筋应力迅速增加,裂缝的数量、长度和宽度都有明显的发展,试件刚度快速下降.

第3阶段：破坏阶段.纵向受力钢筋屈服后,荷载-位移曲线出现明显拐点,曲线斜率变化较大,这一阶段很少产生新裂缝,已有裂缝宽度不断增大,随着试件挠度变形的增大,梁上部受压区混凝土出现横向裂缝.当受压区混凝土达到极限压应变,混凝土出现剥落,并以梁的裂缝宽度达到1.5 mm时判定为试件破坏.

3.2 结果分析

3.2.1 开裂荷载

对比PKW,BKW开裂荷载可知,钢筋变化对试验梁的开裂荷载影响较小,本文参考过镇海提出的开裂荷载计算公式(1)进行开裂荷载计算分析[6],结果见表5.

表5 试验梁开裂弯矩实测与计算值对比Table 5 Comparison of measured and calculated cracking moment of test beam

Mcr=γmWoft

(1)

式中,γm为截面抵抗矩塑性影响系数；Wo为换算截面受拉边缘弹性抵抗矩；ft混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2.

通过计算发现,PKW-1与BKW-1的开裂荷载均在10 kN左右,PKW-2与BKW-2的开裂荷载在12 kN左右,说明试件梁的开裂荷载与钢筋种类没有必然联系,计算开裂荷载时并不需要加以区分两类试件梁的配筋率由0.9 %提高到1.2 %时,开裂弯矩也相应提高,说明配筋率的提高可以延迟试件梁的开裂发生.可见,梁的配筋率对开裂荷载有一定的影响,计算开裂荷载时需要考虑.

通过试验对比、理论分析可知，过镇海等[6]人提出的开裂弯矩计算公式可以对S304不锈钢筋混凝土梁开裂弯矩进行预估.

3.2.2 极限荷载

根据材性试验得到混凝土轴心抗压强度实测值和钢筋的屈服强度实测值,由于S304不锈钢筋材性试验无明显屈服平台,所以在确定其试验梁ξb时,按规范推荐的无明显屈服点公式(2)进行计算[7],确定ξb后按我国混凝土规范推荐的公式(3)计算出各试验梁的理论极限弯矩Mcu,结果见表6.

表6 试验梁的实测及计算值比较Table 6 Comparison of calculated carrying capacityand measured one of testd beams

其中，Mk1采用的材料实测值进行计算,Mk2采用的是材料设计值进行计算,其中规范尚未给出S304不锈钢筋强度设计值,本文采用苏庆田等[8]人给出的S304钢筋设计值作参考.

(2)

(3)

由表6可知,当取材料实测值进行计算时,PKW的Mu/Mk1的比值在0.89～1.14之间,说明极限弯矩试验值与计算值吻合度好,可精确估算普通钢筋试件梁极限荷载;BKW的Mu/Mk1比值1.4～1.6之间,说明按实测值计算时,试件梁已有一定的安全储备.当取规范给定的材料设计值进行计算,PKW的Mu/Mk2比值在1.7左右,而BKW的Mu/Mk2比值在2.3左右,实测极限弯矩均是理论极限弯矩的2.3倍,说明BKW使用规范公式设计时,构件正截面承载力偏于保守,BKW安全储备是PKW的1.4倍.其原因在于：首先,规范目前没有给定S304钢筋的设计值,不锈钢钢筋中各元素的微量变化可能对其材料性能有较大的影响；其次,BKW由于S304不锈钢具有较好的延性,其挠曲变形较高,梁发生挠曲变形后压拱效应比较明显,显著提高混凝土承载力40 %.

3.2.3 短期荷载作用下挠度计算

我国现行规范刚度计算方法是基于普通碳素钢筋混凝土构件的试验数据分析得到,其是否适用于配置S304不锈钢筋混凝土梁刚度的计算,必须通过梁的变形试验数据分析现行规范刚度计算方法的适用性[9].由于试件梁开裂前和屈服后的计算意义不大,本文主要计算S304不锈钢筋混凝土梁开裂后和屈服前的挠度变形,根据结构力学和混凝土规范给出的短期荷载作用下的刚度计算公式[10],验证我国现行混凝土规范是否适用于S304不锈钢筋混凝土梁.

(4)

(5)

BKW-1,BKW-2不同荷载对应的挠度实测值和计算值见表7.

表7 我国规范下不同荷载对应的挠度值Table 7 Deflection values of different loads under Chinese codes

续表7

BKW-1挠度实测值和计算值的比值在0.93～1.08区间,误差不超过8 %;BKW-2的比值在1.2～1.4区间,试件挠度变形有足够的安全储备,计算结果略偏保守.现行混凝土规范中挠度计算可以用来对S304不锈钢筋混凝土梁的挠度变形进行估算.

4 结论

本文首先进行钢筋、混凝土材料性能试验,然后对不同配筋率的普通钢筋混凝土和S304不锈钢筋混凝土梁的进行抗弯试验，将普通钢筋混凝土梁和S304不锈钢筋混凝土梁的试验现象及结果进行比较,进一步明晰S304不锈钢筋混凝土梁的抗弯性能.主要得出以下结论：

(1) S304不锈钢螺纹钢的屈服强度和抗拉强度低于HRB400钢筋,具有更高的塑性变形能力,断后伸长率为40 %,明显优于HRB400钢筋.

(2) 梁开裂荷载仅随截面配筋率的增加而提高,而与钢筋种类无关,因此,其开裂荷载可按我国现行混凝土规范计算.

(3) S304不锈钢筋混凝土梁在加载过程中裂缝和挠度与HRB400钢筋混凝土梁发展基本相似,由于不锈钢材料的高延性,其压拱效应明显,使S304不锈钢筋混凝土梁的实际极限承载力比计算值约高40 %,采用现行规范进行极限弯矩计算保守.

(4) S304不锈钢筋混凝土梁挠度变形按我国现行混凝土规范进行挠度变形计算偏于保守.