高强钢筋高强混凝土预应力梁抗弯性能试验研究

叶献国，马文明，种 迅

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009;2.安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽合肥230009)

0 引言

高强钢筋高强混凝土的推广应用已经成为建筑行业发展的必然趋势，有利于节能减排.已经实施的《混凝土结构设计规范》(GB 50010－2010)［1］淘汰了HPB235低强度钢筋，新增500 MPa级高强钢筋，鼓励采用400、500 MPa级高强钢筋作为受力主导钢筋予以推广应用.欲使高强钢筋性能得到充分发挥，必须配合采用高强混凝土才能予以实现.该领域的研究，国外起步于20世纪90年代初;相对而言，国内起步晚发展快.聂建国等［2］为研究钢－高强混凝土组合梁在静载作用下的抗弯性能，开展了8根钢－高强混凝土组合梁在跨中两点对称荷载作用下的试验，修正了组合梁正截面承载力计算公式.钟铭等［3］通过两种类型共计13根梁的静载和等幅疲劳荷载试验，分析研究了高强混凝土梁的变形性能和疲劳特性，研究表明，在高强混凝土梁中应用高强钢筋，二者的性能均能得到充分发挥.宋永发［4］等制作了26根无粘结部分预应力高强混凝土梁并进行了试验研究，着重研究了无粘结预应力梁的极限承载力、裂缝宽度、延性和挠度等.林涛等［5］对钢筋钢纤维高强混凝土梁抗弯性能试验进行研究.试验研究表明，部分预应力筋混凝土结构的裂缝开展情况在很大程度上取决于非预应力筋的应力大小及细部构造.叶献国等［6］开展了4根HRBF500级钢筋、C100混凝土梁的抗剪性能试验，对比分析了抗剪承载力试验和规范计算结果.

本研究通过12根高强钢筋高强混凝土预应力梁的抗弯性能试验，研究混凝土强度等级、非预应力钢筋配筋率、预应力钢筋配筋率等因素对其抗弯性能的影响规律.

1 试验概况

1.1 试件设计

试件截面尺寸b×h=200 mm×450 mm，跨度为5 800 mm(计算跨度为5 400 mm)，钢筋保护层厚度为40 mm.为避免弯曲破坏前发生剪切破坏，纯弯段以外受剪区域箍筋予以加密，箍筋采用直径为8 mm的HRB400级钢筋.试件配筋详图如图1所示，详细设计参数见表1.

图1 试件配筋详图(单位:mm)Fig.1 Reinforcement of specimen(unit:mm)

表1 试件设计参数Tab.1 Design parameters of specimens

1.2 试验装置与加载

试验采用三分点处两点集中加载，试验装置如图2所示.在梁的表面和钢筋表面均贴有应变片，以测量加载过程中应变的变化规律.将位移计置于梁的两端支座与跨中对应位置，以测量跨中挠度随荷载的变化规律.裂缝以及宏观破坏则主要借助裂缝测宽仪和肉眼观测.

采用单调静力加载试验方案.在正式加载前先进行预加载，使试件进入正常工作状态，同时检测仪表工作情况.然后逐级施加荷载，每级荷载维持10 min，以使试件在荷载作用下的变形得到充分发展.至试验后期，通过液压千斤顶继续加载，当力传感器读数下降到极限承载力85%时，此时可以认为试件失效.应变和变形数据则均由计算机控制数据采集系统连续采集.

1.3 材性试验

在浇筑试验梁时制作3个立方体标准试块，并将试块和试验梁同条件养护，28 d后测试立方体抗压强度fcu，并根据《混凝土结构设计规范》［1］计算混凝土轴心抗压强度fc和抗拉强度ft.具体力学性能列于表2.从制作试验梁的钢筋中随机截取钢筋试件，作拉伸试验，得到钢筋的基本力学性能参数(表3).

表2 混凝土的力学性能Tab.2 Mechanical properties of concretes

表3 钢筋的力学性能Tab.3 Mechanical properties of reinforcing bars

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

2.1.1 试验现象

12根高强钢筋高强混凝土预应力梁均为适筋梁，配筋率为0.69% ～1.51%.通过对试验现象的观察和结果的分析，开展的试验梁破坏过程包括开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后直至失效3个阶段，各阶段的破坏模式与普通钢筋混凝土梁受弯破坏相似，均为延性破坏.破坏由受拉钢筋屈服所致，从钢筋开始屈服直至梁最终破坏之前有明显预兆，最终的破坏模式如图3所示.

图3 破坏模式Fig.3 Failure mode

上述3个典型破坏阶段的现象可以描述为:开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后至失效阶段.

开裂前阶段(M≤Mcr):试件开始加载伊始弯矩很小，混凝土应力与应变成正比关系，截面应力为线性分布，混凝土梁处于弹性阶段，钢筋和混凝土的应力、曲率都随着弯矩的增大成比例的升高，随着荷载的施加，梁的受拉区混凝土出现少量塑性变形，拉应力分布渐成曲线.受压区混凝土的应力仍远小于其抗压强度，保持线性分布，中和轴开始上移.当受拉区混凝土应变达到开裂应变时，试件出现裂缝.

带裂缝工作阶段(Mcr≤M≤My):跨中弯矩超过开裂弯矩Mcr后，最薄弱截面首先出现肉眼可见裂缝.裂缝细而短，靠近截面下部，与钢筋的轴线垂直相交.此时裂缝截面受拉区混凝土部分退出工作，钢筋的拉应力突然增大，中和轴显著上升，混凝土的压应力因弯矩增大和压区面积减小而较快增长.随着弯矩的继续增大，已有的裂缝缓慢增宽，并往上延伸，隔一定间距相继出现新的裂缝.钢筋和混凝土的应力、中和轴位置和曲率等都相继稳定增大.

钢筋屈服后至失效阶段(M≥My):当受拉钢筋刚达到屈服强度fy时，裂缝截面受压区混凝土的应力仍小于其抗压强度fc，中和轴以下大部分受拉区混凝土开裂.钢筋屈服后的应变增长快，破坏了裂缝附近的粘结，使裂缝增宽，并向上延伸，继续进行加载，钢筋的应力仍不变，而应变增大，压区混凝土的应变增大，但顶面附近的应力减小，峰值压应力下移，混凝土被压酥剥落，梁的抗弯承载力快速下降而退出工作.

2.1.2 跨中挠度变形分析

预应力高强混凝土梁采用高强钢筋和高强混凝土，影响挠度变形的因素主要有混凝土抗拉强度、混凝土弹性模量、加载次序和徐变等.表4中列出按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010－2010)的挠度计算公式计算的预应力梁跨中挠度的计算值，与试验值作一比较.

在正常使用极限状态下，混凝土受弯构件的挠度主要取决于构件的截面刚度.从表4可以看到，计算值大于试验实测值，其中PCB－12的计算值是实测试验值的1.22倍，说明我国规范计算值相对保守.

表4 预应力梁跨中挠度的试验值与计算值Tab.4 The experimental and calculated values of mid －span deflection to PC beams

2.2 混凝土强度等级对试验梁抗弯性能的影响

试验设计时包括两种高强混凝土，其中PCB－1～PCB－6混凝土强度等级为C80，PCB－7～PCB －12混凝土强度等级为C100.为便于比较分析，控制单一变量(混凝土强度等级)绘制各试验梁对应的弯矩－挠度曲线，如图4所示.从图4中可明显看出，高强钢筋高强混凝土预应力试验梁的弯矩－挠度曲线在钢筋屈服前的阶段近乎重合，至后期发生相同变形情况下，高强混凝土表现出更高的承载力，即高强混凝土以影响钢筋屈服后的受力为主，且C100混凝土试验梁较C80混凝土试验梁后期承载力下降较小.以图4(a)为例，在挠度变形100 mm时，采用C80混凝土的PCB－1试验梁的承载力为289 kN·m，采用C100混凝土的PCB－7试验梁的承载力为311 kN·m，PCB－7较PCB－1承载力高7.6%.

图4 不同混凝土强度等级下的弯矩－挠度曲线Fig.4 Moment－ deflection curves under different concrete strength grade

2.3 非预应力筋配筋率对试验梁抗弯性能的影响

以非预应力筋配筋率作为研究变量，12根试验梁分为4组，如图5所示为各组试验梁对应的弯矩－挠度曲线，其中各试验梁的非预应力筋配筋率见表1.图5(a)、(b)对应的混凝土强度等级为C80，图5(c)、(d)对应的混凝土强度等级为C100，每组试验梁编号最小的对应本组配筋率最高，编号最大的代表配筋率在本组最小.从图5可明显看出，非预应力筋配筋率大小对开裂前的抗弯性能基本无影响，该阶段混凝土梁处于弹性阶段，钢筋应力水平较低;开裂后，发生相同变形时，配筋率越高承载力越高，且该趋势持续到试验结束.以图5(b)对应的3根试验梁的极限承载力为例，配筋率为1.05%的PCB－4其极限承载力为426.7 kN·m，配筋率为0.75%的PCB－5其极限承载力为362.8 kN·m，配筋率为0.50%的PCB－6其极限承载力为298.0 kN·m;PCB－5较PCB－4其极限承载力提高约21.7%，PCB－6较PCB－4其极限承载力提高约43.2%.

图5 不同非预应力筋配筋率下的弯矩－挠度曲线Fig.5 Moment－ deflection curves under different non － prestressed reinforcement ratio

2.4 预应力筋配筋率对试验梁抗弯性能的影响

本次进行的有粘结预应力混凝土梁，张拉控制应力为1 395 MPa，以预应力筋配筋率(ρ)作为研究变量，12根试验梁中除预应力筋配筋率不同外，其他信息均相同的共可分为2组，分别是PCB－2(ρ=0.31%)与 PCB －6(ρ=0.47%)对应的第一组和 PCB －8(ρ=0.31%)与PCB －12(ρ=0.47%)对应的第二组.如图6所示，为其对应的弯矩－挠度曲线，其中图6(a)对应的混凝土强度等级为C80，图6(b)对应的混凝土强度等级为C100.从图6可明显看出，预应力筋配筋率大小对开裂前的抗弯性能基本无影响，预应力筋配筋率影响开裂弯矩大小，PCB－6较PCB－2的开裂荷载高13.9%，PCB－12较PCB－8的开裂荷载高15.7%;开裂后，相同弯矩作用下，预应力筋配筋率越高变形越小，即预应力越大变形越小;预应力配筋率也显著影响试验梁的极限承载力，PCB－6较PCB－2的极限抗弯承载力高27.3%，PCB－12较PCB－8的极限抗弯承载力高23.8%，即预应力筋越多最终的极限承载力越高.

图6 不同预应力筋配筋率下的弯矩－挠度曲线Fig.6 Moment－ deflection curves under different prestressed reinforcement ratio

3 结语

1)高强钢筋高强混凝土预应力适筋梁破坏过程包括开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后直至失效三个阶段，各阶段的破坏模式与普通钢筋混凝土梁受弯破坏相似，均为延性破坏.

2)混凝土强度等级以影响钢筋屈服后的抗弯性能为主，且高强度等级混凝土试验梁后期承载力下降较小.

3)非预应力筋配筋率对试验梁开裂前的抗弯性能基本无影响，对开裂后抗弯性能影响显著，即发生相同变形时，配筋率越高承载力越高，且该趋势持续到试验结束.

4)相同张拉控制应力条件下，预应力筋配筋率越高开裂弯矩越大;相同弯矩作用下，预应力配筋率越高变形越小，其极限承载力也越高.

［1］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.

［2］聂建国，王洪全，谭英，等.钢－高强混凝土组合梁的试验研究［J］.建筑结构学报，2004，25(1):58－62.

［3］钟铭，王海龙，刘仲波，等.高强钢筋高强混凝土梁静力和疲劳性能试验研究［J］.建筑结构学报，2005，26(2):94－100.

［4］宋永发，赵国藩，宋玉普.重复荷载作用下无粘结部分预应力高强混凝土梁正常使用阶段性能研究［J］.土木工程学报，2001，34(1):19－23.

［5］林涛，黄承逹.钢筋钢纤维高强混凝土梁抗弯性能试验研究［J］.建筑结构学报，2003，33(6):116－122.

［6］叶献国，王程成，种迅，等.HRBF500钢筋C100混凝土梁抗剪性能试验研究［J］.工业建筑，2012，42(7):86－90.