高强钢筋在桥梁工程中的应用与效益分析研究

林若云

(江西省港航造价咨询有限公司，江西 南昌 330000)

0 引 言

近年来我国城市化规模持续的在扩大，建筑业、交通业等得到飞跃的发展，建筑业的建筑技术也在不断革新，新的建筑技术和新型复杂建筑物的出现，对建筑物中材料的性能越来越高，研究发现以往工程中所采用的低强度钢筋存在浪费资源的现象，为此为解决材料性能问题，高强度的钢筋被加入到了新的设计规范当中，低级别的钢筋逐渐被取代。

根据相关的研究表明[1]，如果将我国现在已建的建筑物中的钢筋改为HRB400或HRB500等级的钢筋，可以节约钢材量可达到30%左右。另外由于现在建筑技术的发展、建筑物的复杂程度提高、节能减排政策的要求都使高强度钢筋成为历史的必须选择[2],研究学者们对配置了高强钢筋的构件也进行了相关的研究，其中有李强[3]对混凝土梁中配置HRB500钢筋并在混凝土中掺入聚丙烯纤维的构件进行试验研究，研究发现该构件的受压性能有了明显的提高；李艳艳等人[4]对配置高强钢筋的混凝土梁裂缝进行试验研究，研究表明采用高强的钢筋后梁裂缝的出现时间变的较长；周布奎等人[5]对高性能的混凝土梁进行抗弯性能试验，试验结果表明，采用了高性能钢筋可以提高混凝土梁的受弯能力；徐风波[6]对HRB500级钢筋混凝土梁的正截面受力性能进行研究，研究结果表明：采用高强钢筋制作的结构构件的正截面承载力、挠度、最大裂缝宽度均能够满足规范要求。

目前的研究大多在对配置高强钢筋的梁柱构件研究，对桥梁工程高强钢筋的应用研究较少，为此为研究高强钢筋在桥梁工程中的应用，通过对实际工程中配置高强钢筋的桥梁进行现场试验，将现场试验的结构与理论值进行对比分析并对经济效益进行分析，希望此研究能为行业的发展提高掺量价值。

1 试件试验

1.1 试验试件制作

为探究HRB500级钢筋的性能，对配有HRB500级钢筋的混凝土梁进行基本的力学性能试验，观察试件的受力性能、裂缝的发展规律及梁扰度。本文采用缩尺模型进行试验，试件的尺寸为宽度为200 mm，高度为400 mm，长度为3 500 mm的简支梁，并且为对比高强钢筋直径对性能的影响，分别制作梁底钢筋不同的试件，其中L1的底筋L3为3根18(四级钢)、顶筋均采用2根14(四级钢)，箍筋为8@150(三级钢)。简支梁的混凝土强度为C30，在试验的过程中留置150 mm×150 mm×150 mm的标准试块进行标准养护，待养护完成后进行抗压试验，得到混凝土的标准抗压强度，对钢筋的屈服强度、拉伸率及抗压强度等指标进行试验。试验结果表明钢筋的基本力学性能及混凝土抗压强度均满足要求。

1.2 试验加载装置及加载步骤

研究的试件是简支梁的正截面抗弯试验[7]，因此在试验按正常的简支梁破坏试验进行；在试验的过程中为得到可靠的数据，在梁底的钢筋上粘贴应变片，在混凝土沿高度方案布置混凝土应变片；同时为了能对量的扰度进行具体的分析，在梁底及梁面的两端布置百分表；对加载过程中裂缝的发展情况分析通过在梁面上绘制30 mm×30 mm的方格网进行观察记录。

试验加载的时候采用分级加载的方法进行加载，在加载之前先进行预加载，预加载的荷载值设置为20 kN，待预加载结束后进行正式分级加载，每级加载的荷载值为试件开裂荷载的20%，当加载的荷载值达到开裂荷载的90%时，每级加载的荷载值为开裂的5%进行递增，直到试件破坏停止加载，随后进行分级卸载。加载的过程中每增加一级荷载时均应持荷10 min进行观察试件的扰度及裂缝等变化情况。

1.3 试验结果分析

对配置的高强钢筋的简支梁进行破坏试验发现，其整体的破坏过程与一般的简支梁破坏过程相似，一个可以分为三个阶段，第一阶段为弹性工作阶段，此阶段的试件混凝土为开裂，钢筋与混凝土的应变均较小，随着荷载的不断增加，出现带裂缝工作阶段，该阶段混凝土出现裂缝，内部钢筋应力逐渐增大，构件的扰度增大，同时由于该阶段荷载的不断增加，裂缝的发展迅速，裂缝宽度不断增大，长度加大，当荷载达到极限荷载的90%时，钢筋达到屈服，随后荷载继续增加，构件的扰度及裂缝发展急剧增长，出现塑性变形，随后钢筋被拉断，混凝土试件破坏。通过对试验过程中的裂缝进行观察，发现构件的第一条裂缝出现在纯弯段，随后随着荷载的增加，在构件表明出现多条细小的裂缝，并且裂缝的宽度及长度随荷载的增加而增大，当构件破坏时，在构件的表面存在一条主裂缝。从整体来看配置高强钢筋的混凝土试件裂缝的发展呈稳定状态，与普通钢筋的混凝土试件相似，最终的破坏形态也相似。

2 工程概况

本工程为城市高架桥，公路为一级公路，本次现场试验所研究的桥段上部为现浇板，板的长度为10 m，计算的跨度为9.5 m，板的高度为65 m，顶板的宽度为142.5 m，底板宽度为102.5 m，桥梁本身结构采用C40强度等级的混凝土，路面铺设0.1 m厚的沥青混凝土，在桥梁的左副受拉钢筋为HRB400，右幅受拉钢筋为HRB500。本文取用于桥梁工程中HRB500钢筋进行性能的测试，测试的结果如表1所示。

表1 HRB500钢筋的性能

3 现场试验

3.1 现场相关荷载计算

在实际工程中的性能，对桥梁工程左右两幅配置不同钢筋的桥梁进行对比试验分析，主要是对桥梁钢筋的应力、混凝土的应力及桥梁的扰度进行对比分析。在试验前将桥梁划分为等长的7段。

针对上述的工程概况对桥梁所受的荷载进行计算，结果表2所示。

表2 桥梁受荷计算

3.2 现场试验加载方式

在本次计算中以1.3倍的活荷载分项系数为基准，在试验过程中采用车辆来进行加载，车子的重量为47 t。本次的加载分三次加载，三辆车分别从研究的位置从近到远开进加载位置，用车辆的停滞时间来模拟加载后的间歇时间，当加载完成后按之前的方式进行卸载，最后对在桥梁钢筋中、混凝土中及桥梁底布置分应变片及传感器进行读数。

3.3 测定点的布置

(1)混凝土应变片的布置

本次试验混凝土应变片的布置主要布置在桥梁的底部等间距排列，主要是布置在跨中，因为在跨中的弯矩变化最为明显。

(2)钢筋应变片的布置

本次试验钢筋应变片的布置主要布置在桥梁跨中横向受力钢筋上，因为此外的钢筋受力最大。

(3)位移计的布置

本次试验位移计的布置主要布置在桥梁的底部等间距排列，主要是布置在跨中，因为在跨中的弯矩变化最为明显。

3.4 现场测试结果数据对比分析

通过上述的测试点测得在47 t行车荷载加载后的结果，对其进行计算统计处理，绘制下列表格。

从表3的测试结果中可以看出，对于两幅桥梁的混凝土应力值相差不是很大，两者的差值在2 MPa，但配置了HRB500钢筋的桥梁其钢筋的应力值明显比配置HRB400钢筋的桥梁大很多，说明其受力更大，应用的效率也更高，从位移计的测得数据也可以发现，配置HRB500钢筋的桥梁几乎不发生弯曲变形，而配置HRB400钢筋的桥梁其扰度值约为配置HRB500桥梁的4.09倍。将测量的结果与计算的结果进行对比可以发现，测量的应力均未达到计算的允许应力，说明结果安全，但从整体上来看配置HRB500钢筋的桥梁更具有足够的安全储备。

表3 测试的结果对比表

3.5 效益分析

从上述的研究发现，采用高强度的钢筋能够给结构带来更大的安全可靠性，同时还能节约材料，在本工程中经过计算发现配置HRB500钢筋的桥梁所用的钢材比配置HRB400钢筋的桥梁约减少850 kg，约占总的受力钢筋的14%；从社会的效益角度出发，其钢材的节省的同时也对环境起到了保护的作用，因为我们在生产钢筋的时候不可避免的会产生其他行业，例如煤矿业、矿石产业等，本文经过计算发现采用HRB500的桥梁可以节约铁矿石约1.4 t，可以节约煤矿约0.6 t，节约钢材的同时也在节约对这些资源的开采，同时还能较少对环境的污染，满足国家的节能减排方针战略，因此随着我们经济的发展、社会的进步以及建筑业技术的革新，高强钢筋的使用值得我们推广。

4 结 论

由于目前对桥梁工程高强钢筋的应用研究较少，因此通过对实际工程中配置高强钢筋的桥梁进行现场试验研究，并对应用后的效益进行分析，研究结果表明：配置HRB500钢筋的结构不仅能够较少钢材还能提高构件中钢筋及混凝土的使用效率，此外还能使结构拥有更大的安全储备，随着我们经济的发展、社会的进步以及建筑业技术的革新，高强钢筋的使用值得我们推广，本文仅对配置高强钢筋的桥梁结构主要受力方向进行研究，对于桥梁工程其还受到水平力作用，受力体系相对来说比较复杂，因此有关研究还有待继续推进。