CRB550级高强箍筋在梁构件中应用的可行性分析*

万海涛， 汪一帆， 张瀚文， 杨 琳

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

CRB550级高强箍筋在梁构件中应用的可行性分析*

万海涛a， 汪一帆a， 张瀚文a， 杨 琳b

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

CRB550钢筋； 高强箍筋； 普通箍筋； 混凝土梁构件； 低周往返加载试验； 骨架曲线； 承载能力； 破坏形态

随着我国正步入“十三五”计划，国家预备进行供给侧结构改革，基础建设的改革更是其中的重中之重.目前，我国城镇化发展比较迅速，由于城市建设用地有限，农业耕地红线不能退守，因此，在推进城镇化的过程中势必会追求建筑层数的增加，而在我国高层建筑中均以钢筋混凝土结构为主.钢材作为钢筋混凝土结构的主要材料之一，其需求量依然较大.国内外有许多专家学者均对高强钢筋进行了抗震性能的研究，普遍认为高强钢筋在抗震中的应用比普通钢筋具有一定优势，无论在承载力还是在变形能力方面都符合抗震规范的要求.本文试验是在一些研究的基础上对配置CRB550级高强箍筋在梁构件的应用与推广进行了研究，通过采用较小直径的高强钢筋来代替较大直径的普通钢筋以实现减少钢材的使用量，减弱对钢材的需求量，达到节约钢材的目的.因此，应该积极推行节省型高强度的建筑材料，打破传统粗放型的材料使用模式.高强钢筋是一种节能材料，尤其在高层建筑中的应用最为明显，推广使用高强材料是推动可持续发展和节能减排的要求[1-2].

由HPB235级普通钢筋经过冷加工升级而制成的CRB550级高强钢筋在强度和抗疲劳性能方面有较大提升，有超过60%的增加，而其他方面并没有太大减弱.对于相同的使用能力，大大减少了材料的使用量，这无疑是对建筑高耗能材料应用的优化，对提倡“可持续性工程”的现代社会建设具有重要意义.现阶段由于高层建筑的发展对混凝土提出了更高的要求，而相关规范《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)[3]颁布以来并没有适时更新.为了适应社会经济的发展，需在高强材料方面也作出新的探索.

1 试验概况及方案

1.1 混凝土梁构件设计

表1 箍筋直径Tab.1 Diameter of stirrup mm

注：φ代表HPB235钢筋；φR代表CRB550钢筋.

1.2 材料性能

针对梁试件的时效性进行了试验研究，依据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-92)[4]，试验将梁构件的抗压强度标准值选为C30，浇制成150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块，同时应注意对混凝土取样保留，保证试块和样品同等条件下进行标准养护，养护时间从浇筑第二天算起在温室中养护28 d，然后对立方体试块进行加压试验，测出试块的抗压强度，并做记录.

表2 梁构件参数
Tab.2 Parameters for beam members

梁号截面面积/mm2纵筋箍筋b⁃1⁃1250×4506ϕ25ϕ8@100b⁃1⁃2250×4506ϕ25ϕR6 25@100b⁃2⁃1250×4506ϕ25ϕ10@100b⁃2⁃2250×4506ϕ25ϕR7 75@100b⁃3⁃1250×4506ϕ25ϕ12@100b⁃3⁃2250×4506ϕ25ϕR9 25@100b⁃4⁃1250×4504ϕ20ϕ10@100b⁃4⁃2250×4504ϕ20ϕR7 75@100b⁃5⁃1250×45012ϕ22ϕ10@100b⁃5⁃2250×45012ϕ22ϕR7 75@100b⁃6⁃1300×60010ϕ20ϕ8@100b⁃6⁃2300×60010ϕ20ϕR6 25@100

本文试验的主筋采用HPB335的二级钢筋，箍筋选用HPB235的普通一级钢筋和CRB550级高强钢筋[5].依据相应规范标准，各类型钢筋需留一定量的根数和长度的试样，在电子式万能试验机上进行拉伸试验，每根同直径钢筋为一组，按照《金属材料温室拉伸试验方法》试验规程所述，开启万能试验机，调整夹具，用万能试验机夹具的三分之二夹住试样两端，整个过程按恒荷加载，直至钢筋拉断，从而测出试验钢筋的抗拉强度，并进行数据提取保存.

1.3 构件制作

梁构件制作遵循现实中工地施工的方法和操作流程.由于实验室场内空间有限，操作人员会选择在室外进行一系列的施工工序，包括脚手架的搭设、模板的装扣、钢筋的绑扎和混凝土的浇筑等工作.为了使试件的一次性有效浇筑满足要求，需在浇制的过程中谨慎控制试件的保护层厚度，以防止出现露筋情况.

1.4 加载方式

梁构件试验的水平加载采用单侧伸缩式加载装置，由MTS作动筒对固定试件施加水平力.加载装置与电子显示设备相连，并通过传感器控制水平力的大小.加载装置固定在反力墙上，通过连接件作用于试件上端部的中心线上，同时确保试件固定稳当和加载位置不偏移.加载装置示意图如图1所示.

图1 梁构件加载装置Fig.1 Loading device for beam members

本文试验的加载方法采用《建筑抗震试验方法规程》[6]规定的伪静力加载法，其加载控制阶段分为荷载控制阶段和变形控制阶段.在试验未屈服前采用荷载增量控制，15 kN为单位荷载增量.试验构件屈服时的水平位移为单位变形增量，变化趋势如图2所示，其中，Fy为屈服时荷载，Uy为屈服时位移，构件破坏可以用肉眼观察到，当裂缝明显时或试验构件水平荷载下降到峰值的85%时停止试验.

图2 构件加载形式Fig.2 Loading form for members

1.5 数据测量

数据的来源主要通过位移计来测量，在测量的过程中，需注意试件的变形情况和裂缝分布情况.测量试件相关荷载数据和试件在外部受力和内部应力变形作用下的应变值、水平位移值以及应力与上端部的几何关系曲线.为了测量数据的准确性，测点的分布应在有效位置布置.在试件上下表面和内部主筋和箍筋上均应布置位移计，用来测量构件塑性铰附近位移和转角，同时也要保证基座不发生位移和转动.因此，还需在基础梁表面放置位移计，使整个系统保持一致性变形.

本文试验数据是由DH3185静态数据采集系统[7]自动采集相应的位移和变形情况，同时，试验负责人要通过笔记和照片的形式记录试验进展和现象变化.收集完成后用办公软件OFFICE进行数据整理.

2 试验结果对比分析

2.1 不同组件骨架曲线对比分析

骨架曲线是指在低周往复荷载下滞回曲线峰值点的连接曲线，是进行结构抗震分析的主要依据.本文仅选取三组代表性梁构件进行对比分析，可以直观看出较小直径的CRB550级高强箍筋和较大直径的HPB235级普通箍筋的异同点，如图3～5所示.

图4 梁构件b-2组骨架曲线Fig.4 Skeleton curves for beam members in b-2 group

图5 梁构件b-4组骨架曲线Fig.5 Skeleton curves for beam members in b-4 group

2.2 混凝土梁构件破坏形态对比分析

试验现象分析是研究梁构件破坏形态的一个重要过程.由于试验的试件较多，本文在此只选取一组梁构件来描述试验破坏现象，并进行差异化分析，如图6所示.

图6 构件b-4组破坏形态Fig.6 Failure modes of beam members in b-4 group

2.2.1 b-4-1构件的试验破坏现象描述

b-4-1梁构件从开始受力至45 kN以后，梁构件受力一侧底部在150～300 mm的区域出现一条较宽的裂缝，裂缝从左到右逐渐变窄，并有沿着斜向基础梁部分延伸的趋势，如图6a所示.当水平力达到60 kN时，原先出现的裂缝不断扩展，此刻构件底部的纵筋出现屈服，即在加荷较小的情况下，位移的增长速度较快.此外，在梁上端部水平位移达到18.8 mm时，梁构件底部的主裂缝沿斜向发展，伴随着水平位移逐步增大，裂缝逐渐有贯通趋势.当水平位移达到37.6 mm时，构件底部裂缝贯通且宽度较大.随着荷载继续增大，水平位移也随之变大.当水平位移达到56.0 mm时，受力一侧底部的混凝土开始出现大块剥落，随后梁构件受压侧底部的混凝土被迫挤落，构件底部的纵筋外露，以后的往复循环加荷出现了主筋的屈服现象.当水平位移达到78.2 mm时，梁构件破坏处出现塑性铰，之后混凝土大面积掉落，箍筋外露，该构件的承重能力下降，承载力减弱.当荷载加至第三个循环时，承载力已低于标准值的一半，b-4-1梁构件已严重破坏，呈弯曲破坏状态.此后加载停止，试验结束.

2.2.2 b-4-2构件的试验破坏现象描述

b-4-2梁构件从刚开始受力至40 kN时，这段时间梁构件处于弹性状态，没有明显变化.当正向水平力达到40 kN之后，梁构件在受力一侧底部大致在200～400 mm之间的位置出现一条水平贯穿裂缝，如图6b所示，并有沿着斜向基础梁延伸的趋势.当水平荷载达到55 kN时，裂缝不断变宽，在加荷不大时，位移会增大很快，则此时梁构件处于屈服状态.此外，在梁顶部水平位移达到6.1 mm，构件底部200和400 mm处水平裂缝沿斜向发展.水平位移随受力时间的延续，构件的变形也越来越明显.当位移达到11 mm时，构件底部主裂缝处斜裂缝贯通且与基础梁相交.当水平位移达到61 mm时，受压侧底部的混凝土开始出现大块剥落，主筋外露.当水平位移达到80.1 mm时，梁构件破坏处出现塑性铰，之后混凝土大面积掉落，箍筋外露.构件背面底部的混凝土已经全部被压酥且剥落，此时构件底部膨胀散落，承重能力远不如初.当试验加载至第三个循环时，承载力已经下降至极限值的60%左右，构件处于弯曲破坏状态，此后加载停止，试验结束.

由图6可知，b-4组构件两个梁构件的变形和破坏过程极为相似，无论在弹性状态还是在屈服状态，水平变形的距离均较为接近，且最后两构件均发生了弯曲型破坏.由此可以得出，用较小直径的CRB550级高强箍筋代替较大直径的HPB235级普通箍筋作梁构件的箍筋有较大可能性，不会出现较大失稳的安全问题.

综上所述，在梁构件中配置较小直径的CRB550级高强箍筋与较大直径的HPB235级普通箍筋相比，在诸多性能方面较相近，其变形性能、承载力和破坏形态均相似.文献[10]在其他性能指标方面(如钢筋应变、能量耗散和刚度退化等)与本文试验均表现出极大的一致性.

3 结 论

由试验结果分析可知，较小直径的CRB550级高强箍筋和较大直径的HPB235级普通箍筋在梁构件中的表现极为一致，在试验进行的各个阶段以及绘制的曲线关系都具有较好的一致性.结合与本次试验相关的文献可知，采用这两种箍筋的梁构件在应变能力、破坏形态、承载能力、刚度退化和能量耗散等性能方面均极为相似.因此，在梁构件中应用较小直径的CRB550级高强箍筋代替较大直径的HPB235级普通箍筋具有一定的可行性.这种新技术的应用虽然在钢筋加工上多了一道工序，却在建筑物的抗震性能上有了更大地提升，同时也提升了建筑物的耐久性，最关键的是大大节约了钢材在建筑中的使用量.从某种意义上讲，减弱了建筑上钢材的需求量，减少了冶炼钢材的污染.此项技术的应用推广也是对当今社会提倡“绿色工程”的响应，具有重要的现实意义.

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(LIU Zhao-jian.Continue to promote the application of high-strength steel，to promote energy conservation and emission reduction [C]//Proceedings of the Eighth China Iron and Steel Conference.Beijing，China，2011：1-7.)

[2]范重，徐琳，冯远，等.高强钢筋在工程中应用的探讨 [J].结构工程师，2013，29(6)：169-176.

(FAN Zhong，XU Lin，FENG Yuan，et al.Discussion on the application of high-strength reinforcement [J].Structural Engineers，2013，29(6)：169-176.)

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(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GBJ11-89 Code for seismic design of buildings [S].Beijing：China Architecture & Building Press，1989.)

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50152-92混凝土结构试验方法标准 [S].北京：中国建筑工业出版社，1992.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB50152-92 Standard methods for testing of concrete structures [S].Beijing：China Architecture & Building Press，1992.)

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(HAN Xiao-lei，QI Yong-le，YANG Cheng，et al.Comparative experimental research on earthquake-resistant behavior of reinforced concrete beams with CRB550 stirrups [J].Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2012，40(4)：118-122.)

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ101-96 建筑抗震试验方法规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，1997.

(Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ101-96 Specificating of testing methods for earthquake resistant building [S].Beijing：China Architecture & Building Press，1997.)

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(DU Yuan-sheng.Design and implementation of indoor environmental monitoring system based on wireless sensor network [D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013.)

[8]韩小雷，戚永乐，关柱良，等.CRB550级箍筋混凝土柱的抗震性能对比试验研究 [J].建筑结构学报，2011，32(12)：235-241.

(HAN Xiao-lei，QI Yong-le，GUAN Zhu-liang，et al.Comparative experimental research on earthquake-resistant behavior of reinforced concrete columns with CRB550 stirrups [J].Journal of Building Structures，2011，32(12)：235-241.)

[9]汪青杰，张延年，徐春一，等.钢管混凝土柱与型钢梁装配式节点抗震试验 [J].沈阳工业大学学报，2014，36(3)：354-360.

(WANG Qing-jie，ZHANG Yan-nian，XU Chun-yi，et al.Seismic test for fabricated connection of concrete-filled steel tubular column and H-shaped steel beam [J].Journal of Shenyang University of Techno-logy，2014，36(3)：354-360.)

[10]关柱良.CRB550级箍筋约束混凝土柱抗震性能研究 [D].广州：华南理工大学，2011.

(GUAN Zhu-liang.Seismic behavior of concrete co-lumns with CRB550 stirrups [D].Guangzhou：South China University of Technology，2011.)

(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Feasibility analysis on CRB550 grade high-strength stirrup in beam members

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

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

In order to prove the feasibility that the high-strength stirrup with smaller diameter can replace the ordinary stirrup with larger diameter in beam members, the concrete beam members with both CRB550 grade high strength stirrup and HPB235 grade ordinary stirrup were designed, and the low cyclic loading test was performed. Such performance indexes as the load-displacement skeleton curve, strain capacity, bearing capacity and failure mode were compared and analyzed. The results show that in the aspect of corresponding seismic performance, the concrete beam member with CRB550 grade high-strength stirrup is similar to the concrete beam member with HPB235 grade ordinary stirrup. The CRB550 grade high-strength stirrup has equivalent bearing and deformation capacity levels, and can satisfy the requirements in seismic performance.

CRB550 reinforcement; high-strength stirrup; ordinary stirrup; concrete beam member; low cyclic loading test; skeleton curve; bearing capacity; failure mode

2016-03-03.

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.

16∶08在中国知网优先数字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.026.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.22

TU 375

A

1000-1646(2017)01-0116-05