新Ⅲ级钢筋动力性能及在抗爆结构中的应用试验

高永红，范俊奇，楼梦麟

（1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023）

400Mpa热轧带肋钢筋（HRB400，也称新Ⅲ级钢筋［1］）是专门为建筑结构应用开发的新型钢筋.资料表明［2-8］，新Ⅲ级钢筋具有强度高、韧性好、焊接性能和抗震性能良好等优点.在欧洲等发达国家，新Ⅲ级钢筋占建筑钢材总量的70%以上［2］.我国原冶金部和建设部在1995年联合发文推广应用，建设部早在1996年就将新Ⅲ级钢筋技术纳入国家标准《混凝土结构设计规范（GBJ10—1989）》［2］.但由于宣传、推广力度不够，设计部门对其应用性能还有顾虑，施工和建设单位对其经济效益认识不足，致使新Ⅲ级钢筋性能研究不够，在工程中的使用不充分.

材料抗动载性能是抗爆结构动力分析和抗震设计的基本依据［9］.规范和有限资料［2-12］仅对新Ⅲ级钢筋静力性能进行介绍，对动态行为研究不多.要在抗爆和抗震结构中推广应用，对其动态力学性能的研究十分必要.本文通过快速加载下新Ⅲ级钢筋混凝土结构承载性能试验研究新Ⅲ级钢筋的动力行为，对新Ⅲ级钢筋应用性能、综合效益进行分析、研究，为在抗爆和抗震结构中应用该材料提供了依据.

1 试验方案设计

1.1 试件设计

（1）材料动态力学性能试验.选用直径为Ф14的新Ⅲ级钢筋和普通Ⅱ级钢筋，每种钢筋制作4组试验构件，其中1组做静载试验，另3组做不同加载速率下的快速加载试验.每组试件的数量均为5根，为了保证试验构件的统一性，减小材料本身的影响，每种钢筋的4组构件均取自同一根钢筋.

（2）新Ⅲ级钢筋混凝土动态抗弯承载性能试验.通过不同配筋率及混凝土强度的钢筋混凝土梁的静载及快速加载下的承载性能的比较研究新Ⅲ级钢筋的使用性能.试验梁长、宽、高分别为1200，120，200mm.共设计了3种配筋率（0.47%，0.64%，1.28%）；2种混凝土强度（标号为C30，C40），共10组梁，每组4根.每组取1根作静载试验，其余3根作快速加载试验.各组梁的主要参数见表1.

1.2 试验加载方案

对于新Ⅲ级钢筋和Ⅲ级钢筋混凝土分别采用KG-5型和KG-500型快速加载试验机进行试验，加载试验机如图1，主要技术指标见表2.

根据规范要求［13］，对材料静载试验采用的应变速率取2.0×10-5s-1；动力性能试验共设计了3种应变速率，分别约为1s-1，10s-1和66s-1.

表1 试验梁的材料参数Tab.1 test parameter of testing beams

图1 试验采用的快速加载试验机Fig.1 Rapid loading test machines

表2 试验机的主要技术指标Tab.2 Qualifications of test machines

抗弯试验采用两端简支、四点弯曲方式加载，纯弯段长度0.3mm，构件的加载方式如图2，图中P为外荷载，L为跨度.试验加载速率约为60s-1；试验同时对荷载、应变值、跨中挠度及试验后裂缝的宽度和具体位置进行测量.

图2 抗弯试验加载方案示意Fig.2 Schematic sketch of beam test

2 试验结果及分析

2.1 新Ⅲ级钢筋动力性能试验结果及分析

试验得出新Ⅲ级钢筋在静载及快速变形下的性能变化规律与普通Ⅱ级钢筋一致，即各试件都产生明显缩颈现象，并最终都拉断，且断口形状不变.图3为静载试验中钢筋的应力-应变曲线，图4为动载试验中钢筋的典型应力时程曲线［12］，每一曲线均为相同变形速率同组试件的平均值.由图3、图4可知，同普通Ⅱ级钢筋一样，新Ⅲ级钢筋的抗拉应力-应变曲线具有相同的特征，其曲线都包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂阶段4个阶段.

图3 静载条件下钢筋拉伸应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve from static test

快速变形条件下新Ⅲ级钢筋的抗拉屈服上限提高得较多，个别在静载时没有明显屈服上限的构件在快速变形下也明显显示了出来，但屈服上限的数值离散性较大，在实际应用中意义不大，实际应用中取屈服下限值来表示其屈服强度.表3中数据均为同组试件的平均值.

图4 快速变形下钢筋拉伸应力时程曲线Fig.4 Stress-time curve from rapid loading test

表3 钢筋动力性能试验结果Tab.3 Experimental result from test at different strain_rates

由表3可知：①新Ⅲ级钢筋的屈服强度及极限强度随变形速率的增大而增大，但增大幅度不及普通Ⅱ级钢筋.②在快速变形作用下，新Ⅲ级钢筋的屈服强度比普通Ⅱ级钢筋高31.18%，极限强度提高18.54%，截面收缩率基本不变，说明钢筋的塑性基本保持不变.③与静载相比，在动载作用下新Ⅲ级钢筋的屈服强度有显著提高，提高率为23.31%，略小于普通Ⅱ级钢筋（提高率为31.5%）.

2.2 新Ⅲ级钢筋混凝土梁抗弯性能分析

2.2.1 梁的破坏形态及分析

由图5、图6可知，同种类型的试件在快速加载下破坏特性与静载较相似，但随着配筋率及混凝土强度的改变其破坏形态差别较大.

（1）从初裂荷载及破坏后的裂缝数量看，在混凝土强度相同的情况下，随着配筋率的增加，初裂荷载越高，破坏时裂缝的数目也较多，裂缝宽度越小.

（2）从破坏形态看，在正常配筋范围内，新Ⅲ级钢筋混凝土梁的破坏状态与普通钢筋混凝土梁没有明显差别，大多数梁为延性破坏.

（3）当混凝土强度相同时（C30），在配筋率较低（0.64%）的情况下，普通钢筋混凝土梁（PL3组梁）的裂缝较少、宽度较大（图6a），呈现少筋梁脆性破坏的特征，新Ⅲ级钢筋混凝土梁（XL3组梁）破坏时裂缝数目较多，但裂缝宽度较小（图6b），呈现适筋梁塑性破坏的特征；在配筋率较高的情况下，普通钢筋混凝土梁（PL5组梁）的裂缝数目较多，但裂缝宽度较小（图6c），呈现适筋梁破坏的特征；新Ⅲ级钢筋混凝土梁（XL5组梁）试件破坏时裂缝较少、宽度较大（图6d），呈现超筋梁的脆性剪压破坏的特征.

2.2.2 快速加载下新Ⅲ级钢筋混凝土梁抗弯性能

表4中数据为同组数据的平均值.可见，在快速加载条件下各组梁的抗弯承载力均有很大提高，且提高率随配筋率的增加而增大，而延性比与静载条件下基本相同，说明快速加载下梁的塑性并不降低.

对于合适的配筋率，新Ⅲ级钢筋混凝土梁承载力提高率为20%～30%；普通Ⅱ级钢筋混凝土梁承载力提高率大于30%.2种梁抗弯承载力的提高比值与钢筋在快速加载下的强度提高基本相当.

2.2.3 2种钢筋混凝土梁抗弯性能对比分析

表5中数据为同组数据的平均值.由表5可见，在快速加载条件下各组梁的抗弯承载力随配筋率的增大而增大，延性比在不超过正常配筋率时随配筋率的增大而增大，当配筋率为1.28%时延性比随配筋率的增大而减小.这是由于配筋率与混凝土强度不匹配造成的，当配筋率较低时梁的破坏随钢筋屈服而破坏，当配筋率过高时梁随混凝土的破坏而破坏，因此设计中应综合考虑承载力与延性比，选择合适的配筋率，以便充分发挥各种材料的性能.

表4 梁抗弯试验结果Tab.4 Experimental results from beam tests

表5 快速加载下新Ⅲ级钢筋与普通Ⅱ级钢筋混凝土梁的抗弯性能试验结果Tab.5 Experimental results of bending performance of new grade-3and ordinary grade-2reinforced concrete beams

新Ⅲ级钢筋混凝土梁抗弯承载力比普通钢筋混凝土梁有较大提高，提高率随配筋率的增加而减小，由表5知，在相同混凝土强度的条件下（此处以C30进行分析），当配筋率较小时（0.47%），提高率为35.8%，其数值略高于钢筋材料的提高值；当配筋率较大时（1.28%），提高率仅为13.5%，其数值远小于钢筋材料的提高值.其原因是由于配筋率与混凝土强度不匹配影响了梁的延性，没有充分发挥各材料性能造成的.当配筋率较合适时（0.64%），2种梁的破坏形态和延性基本相同，其强度的提高率为29.6%，与钢筋材料的提高值基本相当.这些特征均与静载条件下一致.唯一不同的是，提高值均较静载时大，这说明新Ⅲ级钢筋混凝土梁具有比普通钢筋混凝土梁更好的动载性能.

从表5还可看出，混凝土强度相同、配筋率为0.47%的新Ⅲ级钢筋混凝土梁的抗弯性能与配筋率为0.64%的普通Ⅱ级钢筋混凝土梁的基本相同，这说明在结构中合理采用新Ⅲ级钢筋可节省约30%的钢筋用量.

因此，为了充分发挥高强钢筋的优良性能，保证钢筋在达到屈服后有足够的塑性变形能力，避免结构发生脆性破坏，在设计中需要特别注意主筋配筋率与混凝土强度的匹配.当配筋率相同时新Ⅲ级钢筋混凝土结构应采用更高强度的混凝土，混凝土强度相同时应减小配筋率.

3 综合效益分析

目前市场上新Ⅲ级钢筋的价格仅比普通Ⅱ级钢筋高5%左右，若配筋率匹配，在构件截面、承载力不变的情况下使用新Ⅲ级钢筋取代普通Ⅱ级钢筋，依本文的研究结果配筋率可降低约30%，从而大幅节省现场施工中的运输量、场地占用量及施工工作量，能够有效降低工程建设成本，经济效益显而易见.

新Ⅲ级钢筋混凝土结构在快速加载条件下承载力高、延性好，是抗震、抗爆结构的理想材料.目前高强度混凝土、钢纤维混凝土和高配筋率在防护结构中往往配合使用，造成主筋密度大、空隙小，施工困难，而且质量也不易保证.若采用新Ⅲ级钢筋，可大幅降低配筋率，增大施工间隙，克服使用普通钢筋多而密的缺点，为施工方便及施工质量提供了保证.

4 结语

（1）在动载条件下新Ⅲ级钢筋的屈服强度比普通Ⅱ级钢筋高31.18%，极限强度提高18.54%，而塑性基本保持不变；与静载相比，在动载作用下新Ⅲ级钢筋的屈服强度有显著提高，提高率为23.31%，略小于普通Ⅱ级钢筋.

（2）无论对Ⅱ级钢筋还是新Ⅲ级钢筋，在快速加载条件下，都只有屈服强度和极限强度的提高，而塑性和弹性模量基本保持不变，因此快速加载下Ⅱ级钢筋和新Ⅲ级钢筋的本构关系可采用静载作用时的本构关系，只需将其强度乘以快速加载下的动力提高系数.

（3）动载条件下新Ⅲ级钢筋混凝土梁的抗弯承载力有较大提高，提高率与钢筋在快速加载下的强度提高相当，同时不影响构件的塑性性能和延性.因此在快速加载下Ⅱ级钢筋和新Ⅲ级钢筋混凝土构件的截面抗弯承载力可按静载作用时的公式计算，只需将其中的材料强度乘快速加载下的提高系数.

（4）若配筋率与混凝土强度匹配良好，采用新Ⅲ级钢筋的梁抗弯承载力比普通钢筋混凝土梁有较大提高，其提高率与钢筋材料的提高值基本相当；构件的延性与采用普通钢筋的构件相同，采用高强的新Ⅲ级钢筋并不会降低构件的塑性变形能力.

（5）在使用过程中应注意配筋率与混凝土强度的匹配，相同配筋率的新Ⅲ级钢筋采用高强混凝土；混凝土强度相同时应降低配筋率.若仍采用传统的普通钢筋的设计习惯，不仅承载力提高不明显，而且会造成结构脆性破坏，造成严重的后果.

（6）在防护结构中推广新Ⅲ级钢筋或更高强度的钢筋、采用高强钢筋、高强混凝土、钢纤维混凝土的配合使用将是今后防护结构的一个发展方向.

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