高强钢筋(CRB550)在柱构件中的应用与推广*

万海涛， 杨　琳， 汪一帆， 张瀚文

(河南大学 a. 土木建筑学院， b. 教育科学学院， 河南 开封 475001)



高强钢筋(CRB550)在柱构件中的应用与推广*

万海涛a， 杨琳b， 汪一帆a， 张瀚文a

(河南大学 a. 土木建筑学院， b. 教育科学学院， 河南 开封 475001)

钢筋混凝土结构为大规模基础建设中应用最为广泛的结构形式之一[1]，而钢筋混凝土结构主要材料是钢材和混凝土，它们均为高耗能建筑材料，而且污染环境.据相关机构估算，冶炼1 t钢材要消耗1.66 t标准煤，生产1 t水泥要消耗185 kg标准煤，同时排放出1.28 t二氧化碳，这均需消耗大量的自然资源，并在一定程度上污染了环境，对自然生态产生一定破坏.我国提倡的“一带一路”基础设施建设计划在构想之初就希望将其打造为绿色环保和节能减碳的建设计划.正是基于此背景，我国结构工程行业需要积极利用有限的资源，减少能源消耗，提高建筑结构的耐久性，节约结构材料的使用量，积极推广高强度材料的应用.高强钢筋是一种目前比较适合我国结构工程环境的节能减碳的建筑材料[2].

高强钢筋(CRB550)是由土木工程材料中应用较为广泛的一级钢筋HPB235进行冷加工而制成的，此种钢筋提高了钢筋强度但钢筋延性变化不大[3].如果能在建筑结构物中大范围使用小直径的CRB钢筋代替大直径的HPB钢筋，而两者的承载力及变形相近，可以大大节省钢材的用量，对提倡“可持续性工程”和“绿色工程”具有重要的意义.虽然目前CRB钢筋在楼板以及剪力墙的应用较为常见[4-5]，但在柱构件中的应用则较为少见.本文通过对22根钢筋混凝土柱进行低周往复加载试验，以期通过试验验证在钢筋混凝土柱构件中，按照等强原则用较小直径的CRB钢筋作为箍筋来代替较大直径的HPB钢筋具有一定的可行性.

1　试验概况

1.1钢筋混凝土构件设计

构件试验参阅现行《混凝土结构设计规范》[6]后，设计了22条RC柱构件(钢筋混凝土柱构件)，RC柱构件按照截面尺寸、轴压比、主筋及配箍形式等不同分为11组.截面尺寸有两种，分别为350 mm×350 mm和300 mm×300 mm.轴压比有3种，分别为0.7、0.8、0.9.主筋有2种，分别为φ16和φ22.为了证明在RC柱构件中采用较小直径的CRB550钢筋能够替代大直径的普通一级钢筋(HPB235)作为箍筋，用φR6.25对比φ8(φ代表HPB235钢筋，φR代表CRB550钢筋)，用φR7.75对比φ10，用φR9.25对比φ12进行试验.RC柱构件详细参数如表1所示.

1.2材料力学性能

1.2.1砼(混凝土)立方体试块强度

本文试验所有钢筋混凝土构件的砼强度等级均为C30，参照《混凝土结构试验方法标准》[7]，在浇筑砼的同时对砼取样，浇筑成立方体混凝土试块，其边长为150 mm.按照混凝土规范中规定的养护方法进行养护，并在荷载试验进行的同时测定试块的抗压强度.

1.2.2钢筋的力学性能

试验参照规范选用强度为335 MPa的二级钢筋作为构件主筋，选用强度为235 MPa的一级钢筋和强度为550 MPa的冷轧带肋钢筋作为构件箍筋.取本次试验所用的部分钢筋作为钢筋试验试样在拉伸机上进行试验[8].

表1　钢筋混凝土柱构件参数Tab.1　Parameters for RC column members

1.3构件制作

由于构件本身尺寸的限制，在构件的制作过程中，各构件预先在试验室外进行钢筋绑扎、模板安装以及混凝土浇筑等工作，特别注意在浇筑之前需将绑扎完成的钢筋笼填入模板并适时调整保护层厚度，如图1、2所示.

图1　模板安装Fig.1　Installation of template

图2　构件钢筋的绑扎Fig.2　Binding for steel bars of members

1.4试验加载装置

水平加载选用外伸式加载仪器，通过外伸式加力筒加载水平力，水平力的大小由与加力筒相连的计算机控制.水平力加载装置用钢螺栓连接在反力墙加力筒上作为主体结构，加力筒通过构件上的钢拉条和钢板对构件顶部的中心轴处施加水平力，构件用压梁和固定螺杆固定在地面上.

竖向加载选用千斤顶加载竖向力，千斤顶所施加的竖向力通过设置在构件顶端的钢板和滚轴施加在构件顶端中心.千斤顶固定在试验厂房的上部钢梁上，构件同样用压梁和固定螺杆固定在地面上.图3为钢筋混凝土柱构件的加载设备实际现场图.

图3　钢筋混凝土柱构件试验装置Fig.3　Test device for RC column members

钢筋混凝土柱构件在试验时不仅要施加竖向力以提供轴向压力，还要在加载过程中施加水平力以模拟地震作用，但要注意在试验过程中竖向轴力保证一次加载至构件中心且竖向力大小保持恒定.

钢筋混凝土柱构件施加水平力通过外伸式加力筒施加，采用力和变形联合加载的方法，构件在线弹性阶段范围内选用循环加荷方式，每次荷载增加量设定为构件极限承载力的1/10.弹性阶段过后，对构件选用变形控制的循环加荷方式，如图4所示，当构件破坏明显时停止试验.

图4　构件加载控制方案Fig.4　Load controlling scheme for members

1.5量测内容及测点布置

1.5.1量测内容

本文需要测量观察的内容如下：

1) 构件在试验加载作用下的损伤形态和裂缝的发展模式；

2) 构件在试验过程中各个阶段的变形情况以及相应的荷载数据；

3) 构件在荷载和变形联合加载下的钢筋应变大小、水平侧向变形以及力与顶端位移的曲线关系.

1.5.2测点布置

在钢筋混凝土构件钢压梁上面、混凝土构件表面及内部都要放置位移计用于测量构件变形情况，特别是构件在加荷过程中塑性铰处的侧向变形和转角变形.同时为了监测加载过程基座是否发生平动及转动，避免基座滑移或转动使荷载加载出现偏心，需在基座梁表面布置位移计.

1.5.3数据采集及处理

数据采集及处理过程如下：

1) 由静态数据采集系统[9]自动采集在不同加载状态下的应变片与位移计的数据；

2) 试验人员通过照相机或摄像机等设备记录构件的损伤形态和裂缝的发展模式；

3) 试验人员需记录下试验加载过程中构件在各个试验阶段下的变形值和相应荷载；

4) 试验人员在试验完成后对收集的数据进行详细处理与分析.

2　试验结果分析

图5　钢筋混凝土柱构件组c-1骨架曲线Fig.5　Skeleton curves for RC column member c-1

图6　钢筋混凝土柱构件组c-2骨架曲线Fig.6　Skeleton curves for RC column member c-2

图7　钢筋混凝土柱构件组c-10骨架曲线Fig.7　Skeleton curves for RC column member c-10

对比分析可知，CRB550钢筋作箍筋的柱构件和HPB235钢筋作箍筋的柱构件具有相近的承载力和变形能力.

2.2柱构件破坏形态对比分析

由于柱构件组数较多，此处只对典型的一组柱构件进行对比来考察CRB550钢筋作箍筋的构件和HPB235钢筋作箍筋的构件在破坏形态上的差别，构件组破坏形态如图8所示.

图8　构件组c-3构件破坏形态Fig.8　Failure morphologies for member group c-3

2.2.1c-3-1构件的破坏过程及破坏形态

构件c-3-1在试验中处于力控制状态时，水平力达到150 kN之前构件属于弹性阶段.当正向水平力达到150 kN时，在构件左侧面距离底部25.8 cm位置上出现一条水平贯穿裂缝(此处正向为图8a中从左到右的方向，反之为反向)，正面底部以及离正面底部26.5 cm处分别出现6.8和9.3 cm的水平裂缝(此处正面为图8a中视线看到的那一面，反之视线看不到的面为背面).当反向水平力达到190 kN时，原先出现的裂缝不断拓展，构件左侧面和右侧面出现多条贯穿裂缝，且左侧面距离底部28 cm位置上的一条水平裂缝逐步演变成为斜裂缝，此刻构件底部的纵筋出现屈服，也认为构件屈服.构件c-3-1在试验中处于变形控制状态时，当水平变形达到25 mm时，构件底部出现鼓裂现象，构件的表层混凝土被压酥并且开始脱落.伴随着水平变形逐步增大，竖向裂缝慢慢出现于构件四周底部.当水平变形达到50 mm时，左侧面距离底部高度为18.5 cm以下的表层混凝土开始出现大面积剥落.当水平变形达到65 mm时，构件背面底部的混凝土已经全部被压酥且剥落，此刻构件底部纵筋也已经外露，且在试验继续循环加荷时可以观测到构件的纵筋在受压时出现屈曲现象.当水平变形达到75 mm时，正面靠左侧的一条斜裂缝已经从构件底部拓展至58 cm高处，同时构件正面的底部也出现大量竖向裂缝向上延展，此时构件底部出现塑性铰.当水平变形达到85 mm时，正面底部的混凝土已经大面积剥落，箍筋外露，此时构件c-3-1的承载力大幅度下降.当试验加荷至第二个循环时，构件的承载力已经下降至约50%，此时构件破坏严重，停止加荷，至此整个试验完成，试验结果表明构件呈现弯曲型破坏.

2.2.2c-3-2构件的破坏过程及破坏形态

构件c-3-2在试验中处于力控制状态时，水平力达到155 kN之前构件属于弹性阶段.当正向水平力达到155 kN时，正面距离底部25.5 cm处出现一条长约8.8 cm的水平裂缝(此处正向为图8b中从左到右的方向，反之为反向)，左侧面距离底部28 cm处出现一条长约12.8 cm的水平裂缝.随着水平力的逐步增大，构件正面底部逐渐出现较多水平裂缝(此处正面为图8b中视线看到的那一面，反之视线看不到的面为背面).当反向水平力达到200 kN时，构件左侧面底部出现一条水平贯穿裂缝，右侧面距离底部28.5 cm处也出现一条水平贯穿裂缝，此刻构件底部的纵筋出现屈服，也认为构件屈服.构件c-3-2在试验中处于变形控制状态时，当水平变形达到20 mm时，构件底部出现鼓裂现象，构件的表层混凝土被压酥并且开始脱落，左侧面距离底部38 cm处开始出现一条斜裂缝，随着水平变形逐步增大，竖向裂缝慢慢出现于构件四周底部，与此同时，左侧面出现数对分布较为对称的斜裂缝.当水平变形达到49 mm时，左侧面距离底部高度为12.8 cm以下的表层混凝土开始出现大面积剥落，箍筋和纵筋外露，构件裂缝继续拓展.当水平变形达到62 mm时，构件背面底部的混凝土已经全部被压酥且剥落，在试验继续循环加荷时可以观测到构件的纵筋在受压时出现屈曲现象，且发现混凝土核心区也开始被压坏.当水平变形达到85 mm时，观测发现正面底部的混凝土已经大面积剥落，混凝土核心区基本压坏，箍筋崩裂，此时构件c-3-2的承载力大幅度下降.当试验加荷至第二个循环时，构件的承载力就已经下降至约55%，此时构件破坏严重，停止加荷，至此整个试验完成，试验结果表明构件呈现弯曲型破坏.

由c-3组构件的破坏形态可以看出，构件c-3-1和构件c-3-2在弹性阶段最大承载力、屈服时的承载力以及破坏时的承载力大小较为接近，另外构件裂缝开裂模式也较为类似，且两个构件均为弯曲型破坏，因此认为CRB550钢筋作箍筋的柱构件和HPB235钢筋作箍筋的柱构件两者的破坏形态相似.

2.3试验结果对比分析

综上分析可知，CRB550钢筋作箍筋的钢筋混凝土柱构件和HPB235钢筋作箍筋的钢筋混凝土柱构件在承载力、变形能力以及破坏形态上基本相近.对于其他性能指标，如钢筋应变、破坏形态、刚度退化和能量耗散等性能指标情况可查阅与本试验相关文献[10-11].由文献可知，CRB550钢筋作箍筋的构件和HPB235钢筋作箍筋的构件在钢筋应变和能量耗散等性能指标方面也相当接近.

3　结　论

通过试验结果对比分析可知，CRB550钢筋作箍筋的钢筋混凝土构件与HPB235钢筋作箍筋的钢筋混凝土构件具有相近的承载力、变形性能以及破坏形态.另外，通过查阅与本试验相关文献可知，CRB550钢筋作箍筋的构件和HPB235钢筋作箍筋的构件在钢筋应变和能量耗散等性能指标方面也相当接近.由此验证了在纵筋配置相同的情况下，可以采用比《混凝土结构设计规范》中限值更小直径的CRB550钢筋(如6.25、7.75、9.25 mm)取代工程实际中较为常用的直径为8、10、12 mm的HPB235钢筋作钢筋混凝土构件的箍筋，为在柱构件中配置较小直径的高强钢筋替代较大直径的常用钢筋作箍筋这项新技术提供了试验层面上的验证.如果此项新技术被广泛推广，则大大节约了建筑物中钢材的使用量，并在很大程度上减轻了对生态环境的污染.此技术对提倡“可持续发展”和“绿色环保”的当今社会具有重要的现实意义.

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(责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英)

Application and popularization of CRB550 high-strength steel bar in column members

WAN Hai-taoa, YANG Linb, WANG Yi-fana, ZHANG Han-wena

(a. School of Civil Engineering and Architecture, b. School of Educational Science, Henan University, Kaifeng 475001, China)

In order to achieve the goal of saving steel through replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter, the various performance indexes of reinforced concrete (RC)column members with the stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar were compared and analyzed. The low cyclic loading tests for 22 different reinforced concrete column members with different types were designed. The results show that such performance indexes of RC column members with stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar as the load-displacement skeleton curve, strain of steel bar, failure morphology, stiffness degradation and energy dissipation are close to the same. It proves that the new technology, namely replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter in the configuration of column members, has certain feasibility.

CRB550 steel bar; reinforced concrete (RC) column member; low cyclic loading test; load-displacement skeleton curve; strain; failure morphology; stiffness degradation; energy dissipation

2015-12-01.

国家自然科学基金资助项目(51408195).

万海涛(1979-)，男，江西临川人，副教授，博士，主要从事结构抗震等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.18

TU 375

A

1000-1646(2016)04-0461-06

*本文已于2016-05-12 14∶01在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.028.html