配置高强钢筋的混凝土梁裂缝试验研究

李志华,苏小卒,赵 勇

（1.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏扬州 225009;2.同济大学土木学院,上海 200092）

在发达国家500 MPa钢筋已成为非预应力钢筋混凝土结构的主导钢筋[1-4],而我国的非预应力钢筋混凝土结构长期以来主要采用屈服强度标准值不超过335MPa的钢筋,HRB400钢筋于1996年列入国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）[5]（以下简称《规范》）中。为了使国内的非预应力钢筋混凝土结构所用钢筋与国际接轨,我国新研制了500 MPa钢筋及400MPa细晶钢筋,但因缺乏相应试验资料而尚未列入《规范》中,因此有必要补充相关的试验资料。

一般来讲,在同等结构体系中,钢筋强度越高,材料用量就会减少,可获得较好的社会经济效益。但配置高强钢筋的构件可能由使用性能要求控制配筋设计而限制钢筋强度的发挥[6-7],对此,结构工程师对采用强度较高的非预应力钢筋持慎重的态度。因此,研究配置500 MPa钢筋或400 M Pa细晶钢筋的混凝土构件使用性能是一个有意义的课题。该文主要通过配置500 MPa钢筋和配置400 MPa细晶钢筋的混凝土梁受弯性能试验,研究配置高强钢筋混凝土梁的裂缝特点,同时结合已有配置高强钢筋的混凝土梁试验数据,评估《规范》中裂缝宽度公式的适用性并提出修正建议。

1 试验概况及结果

试件为 8根配置500 M Pa钢筋（其中直径25 mm的为细晶钢筋,直径32mm的为HRB500钢筋）和4根配置400 MPa细晶钢筋的混凝土梁,设计时主要考虑保护层厚度、纵向受拉钢筋直径和配筋率等参数。所有试件均正位浇注。配置400 MPa钢筋的混凝土梁采用三分点集中对称的同步分级加载方式。配置500 MPa钢筋的混凝土梁采用反位加载（图1）,便于观测受拉底面的裂缝。试件明细如图2及表1所示。

图1 试件反位加载示意图

图2 试件配筋

表1 试验梁的基本参数

配置400 MPa细晶钢筋的试件每个试件单独浇注,每个试件浇注后各留置3组（每组3个）边长为150 mm的立方体混凝土试块,并与试验构件同条件养护。配置500 MPa钢筋的试件分2批浇注（每种强度的混凝土为1批）,每批浇注后各留置3组（每组3个）边长为 150 mm的立方体混凝土试块,并与试验构件同条件养护。每种钢筋取3个试样。试件试验时,进行了材料性能试验,各试块混凝土立方强度的平均值见表1。钢筋强度的平均值见表2。

表2 钢筋实测力学指标

各试件所经历的裂缝发展过程基本相同。加载至0.1Pu（Pu为计算极限荷载）左右时,截面未开裂,构件表现为弹性变形特征。荷载加至0.2～0.3Pu时,用肉眼可在纯弯段底面及两侧面发现一条或多条裂缝,宽度很小,侧面裂缝高度一般可达到梁高的1/4～1/3。随着荷载的进一步增加,纯弯段裂缝逐渐增多,并逐渐延伸,宽度也逐渐加大,斜裂缝出现。当荷载加至0.5Pu左右时,裂缝基本出齐。典型裂缝分布如图3（图中的数字表示加载级别,两虚线间的区段为试件纯弯段）所示,配置500 MPa钢筋且保护层厚度约为25 mm的试件表面出现可见次生裂缝（计算裂缝间距时将这些裂缝予以剔除）,其余试件表面基本未出现此类裂缝。荷载达到Pu时,跨中附近一条裂缝宽度迅速增加,最终试验梁因受压区混凝土被压碎而破坏。各试件的裂缝间距及裂缝宽度实测值详见文献[8]。

图3 部分试件的侧面裂缝图

2 试验结果分析

2.1 以往配高强钢筋的混凝土梁裂缝试验研究

对于配置高强钢筋的混凝土梁,东南大学、郑州大学、石家庄铁道学院的学者[9-16]曾进行过相关的试验研究,试件中的钢筋包括了 HRB400和HRB500钢筋,混凝土强度等级在C15-C80的一个比较广的范围。试验多采用千斤顶两点集中对称正位加载以研究短期的裂缝,也有研究者[11]设计了特殊的加载装置进行了长期试验。试验结果表明,配置高强钢筋的高强混凝土（C70）试件裂缝开展情况优于普通钢筋混凝土试件[9-10];配置高强钢筋的普通混凝土构件,使用荷载阶段的裂缝宽度较大,可能不满足规范要求[12-15]。

20世纪60年代初,美国PCA研究室[17-18]对配置高强度钢筋的混凝土梁裂缝进行了试验研究,试件的钢筋屈服强度在580～670 MPa之间,混凝土圆柱体抗压强度在26.5～39.7 MPa之间。试验均采用两点集中对称加载,其中部分梁采用正位加载,部分梁采用反位加载。试验结果表明,梁的高度、宽度及混凝土抗压强度对裂缝宽度的影响不明显;混凝土保护层厚度对裂缝宽度的影响显著。

2.2 裂缝宽度与《规范》公式的对比分析

按《规范》公式计算试件的平均裂缝间距,实测值平均仅为计算值的84%。按《规范》公式计算文中12根及文献[9-16]中35根配置高强钢筋混凝土梁的平均裂缝间距,实测值l0cr与计算值lccr之比的均值为0.86,变异系数为0.135。可见,按《规范》公式计算此类构件的平均裂缝间距时其值偏大。

文中试件的短期最大裂缝宽度w0max,s普遍小于按《规范》公式计算的结果wcmax,s。对于保护层厚度约为25mm的试件,在钢筋应力不大于300MPa时均值为0.92,在钢筋应力大于300 MPa时s均值为0.80;对于保护层厚度约为60mm的试件,短期最大裂缝宽度实测值平均仅为计算值的70%。按《规范》公式计算文中12根及文献[9-16]中配置高强钢筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度,实测值与计算值之比的均值为0.82,变异系数为0.195。国外32根配高强钢筋混凝土梁[17,18]（剔除了保护层厚度小于钢筋直径的试件,对混凝土抗压强度及钢筋应力等数据均做了换算）的短期最大裂缝宽度与按《规范》公式计算值之比的均值为0.89,变异系数为0.260。可见,按《规范》公式计算此类构件的短期最大裂缝时其值偏大。

3 裂缝宽度计算公式的改进建议

3.1 裂缝宽度计算模式

为了与《规范》相衔接,配置高强钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算模式宜取《规范》中的相应计算模式。针对此类构件的裂缝特点,对裂缝宽度计算模式中的有关参数提出改进建议。据此,配置高强钢筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度计算表达式[5]仍为：

式中,τs为短期裂缝宽度的扩大系数;ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数;αc为裂缝间混凝土应变对裂缝宽度的影响系数;其余符号的意义同《规范》。

3.2 平均裂缝间距

该文及过往试验结果[9-16]表明,当混凝土保护层厚度c基本相同（取c=25～30 mm）时,l0cr与之间基本成线性关系但并非正比例,deq/ρte图在轴上的截距基本相等（见图4）,其中符号deq、ρte的意义同《规范》。这与裂缝计算方法中的综合理论是一致的。同时,由与混凝土轴心抗压强度fc的关系（见图5,d为钢筋直径）,可见钢筋直径及混凝土强度对的影响均不明显。基于《规范》中的平均裂缝间距计算模式,根据文中12根及文献[9-16]中35根配置高强钢筋混凝土梁的平均裂缝间距试验数据,由最小二乘法得：

式中各符号的意义同《规范》。按式（2）计算文中试件及文献[9-16]中配置高强钢筋的混凝土梁平均裂缝间距,实测值与计算值之比的均值为1.00,变异系数为0.138。

图 4 -d eq/ρte关系图

图5 混凝土轴心抗压强度f c与的关系

3.3 短期最大裂缝宽度

试验结果表明,对于配置500 MPa钢筋和400 MPa细晶钢筋的混凝土梁,其应变不均匀系数ψ的表达式仍为：

式中,S为常数,根据试验结果,可取S=1.1;Mc为混凝土所承受的抗裂弯矩;Ms为构件截面所承受的弯矩。这与文献[9]的结论一致。根据文献[19],混凝土所承受的抗裂弯矩

Mc=0.292ftbh2,考虑收缩影响,Mc可乘以系数0.8[20]。经过推导,ψ的表达式可写为：

式中各符号的意义同《规范》。由此可见,ψ仍可按《规范》公式进行计算。以往研究[5]表明,对各类构件,αc可统一取为0.85,该文取αc=0.85。

对12根试件的裂缝分析表明,试件纯弯段的裂缝宽度基本上呈正态分布,若考虑95%的保证率,则其短期裂缝扩大系数仍为τs=1.66。将上述各参数代入式（1）可得配置高强钢筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度公式：

按式（5）计算文中试件及文献[9-16]中配置高强钢筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度,计算值wcmax,s与实测值w0max,s符合较好,w0max,s/wcmax,s的均值为0.96,变异系数为0.207。国外32根配高强钢筋混凝土梁的短期最大裂缝宽度实测值与按式（5）计算值之比的均值为1.04,变异系数为0.271。

4 结 论

1）试验结果表明,配置500 M Pa钢筋和 400 MPa细晶钢筋混凝土梁的裂缝发展规律与普通钢筋混凝土梁基本相同。而且,此类构件的短期最大裂缝宽度扩大系数仍可取为1.66。

2）按《规范》公式计算配置高强钢筋混凝土梁的平均裂缝间距和短期最大裂缝宽度,在均值意义上计算值均比试验值偏大。

3）依据试验结果,并结合配置高强钢筋混凝土梁的过往试验数据,基于《规范》中的裂缝间距和宽度计算模式,对配置高强钢筋的混凝土梁提出平均裂缝间距和短期最大裂缝宽度修正公式,所提公式与试验数据符合较好。

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（编辑胡英奎）