配置500MPa钢筋的后张有粘结预应力混凝土梁抗弯性能研究
2015-10-31董理
董理
（中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南 长沙 410000）
配置500MPa钢筋的后张有粘结预应力混凝土梁抗弯性能研究
董理
（中机国际工程设计研究院有限责任公司湖南长沙410000）
500MPa级钢筋；裂缝性能；跨中挠度
引言
HRB500级钢筋是一种热轧带肋钢筋，其抗拉屈服强度标准值为500MPa，极限抗拉强度超过630MPa，该钢材强度高、延性好。鉴于高层、大跨混凝土结构对钢筋强度有更高的安全性和使用性要求，预应力混凝土梁得到了较广泛的推广应用。现行混凝土规范已经列出500MPa高强钢筋，以满足混凝土结构对钢筋强度的要求。
混凝土结构中钢筋和混凝土的强度不断得到提高，使截面尺寸变小，从而造成了构件刚度降低，在使用阶段裂缝宽度和挠度增大，影响结构的正常使用和耐久性能。作者对5根500MPa高强钢筋混凝土梁进行了试验研究，评估规范GB50010-2010相应计算公式的适用性。
1 试验方案
1.1试件制作和试验方法
总共完成了5根梁受弯性能试验，试件尺寸均为250×450，混凝土设计强度等级为C40，预应力筋为1×7标准型公称直径为φs15.2的低松弛钢绞线，OVM锚固体系，张拉段和固定端锚具为M15，直线布置，单端张拉。预应力筋孔道成型方式为预埋JBG-55B型金属波纹管，波纹管内径55mm。张拉后灌M30水泥浆（水灰比约为0.4，内掺U型混凝土膨胀剂和Sika V2型高效减水剂）。如表1所示。
表1 试件详情表
单调分级加载制度，每加一级荷载之后，持荷10min，待荷载稳定后采集数据。加载按纯弯段的设计计算控制弯矩为参照，按照混凝土静力加载方法进行，试验梁开裂前，每级所加荷载约为0.05Pu（Pu为计算极限荷载），以便监测开裂荷载值。试验梁开裂后，加荷级差可增至0.1Pu。构件开裂前后及破坏时适当延长持荷时间，待变形稳定后继续加载，正常使用试验荷载下，包括观测记录时间，持荷30min左右。加载至0.9Pu时改为1/20Pu加载直至破坏。
1.2试验结果及其分析
1.2.1加载过程及变形特点
开始加载时（M=0.1Mu～0.2Mu），截面未开裂，构件表现为弹性变形特征。挠度增长近似为线性，钢筋和混凝土应变增长也为线性。
当荷载加至（M=0.2Mu～0.3Mu）时，在跨中截面（纯弯段）发现一条或多条垂直裂缝，裂缝首先出现在构件边缘处，一般侧面裂缝与底面裂缝可以贯通，高度一般可达到梁高的1/4，裂缝宽度很小。此时荷载挠度曲线有明显转折，钢筋应力较开裂前有明显增大。这一阶段，构件变形虽表现为曲线特征，但总的来说，变形和构件持荷都较为稳定。
随着荷载进一步增加，纯弯段裂缝逐渐增多，并向上发展，宽度也逐渐增大，斜裂缝也出现。当荷载加至0.4Mu～0.5Mu时，裂缝出齐，但还会进一步开展。继续加载，裂缝宽度增大，裂缝高度增加并不多，挠度进一步发展。在0.8Mu时的挠跨比一般在1/260～1/210。
荷载加至接近Mu时，从钢筋应变可以看出钢筋进入流塑状态，荷载挠度曲线亦发生转折，构件临近破坏。
继续增加荷载，梁挠度增加很快，跨中一条裂缝宽度迅速增加直至混凝土被压碎。
1.2.2受弯承载力计算
采用500MPa钢筋作为后张有粘结预应力混凝土梁的纵向受拉非预应力筋，当试验梁达到极限状态时，非预应力筋均能屈服。
式中：α1、β1为与混凝土强度等级有关的计算系数，按规范GB50010-2010取值；
as′为受压非预应力筋重心至受压区混凝土边缘的距离，本次试验均取33mm；
x为中和轴高度；
σps为极限状态时钢绞线的应力，需根据平截面假定和应变协调条件计算得到。包括两部分：钢绞线合力点处混凝土压应力为零时的应力σp0=σpe+αpσpc1和按平截面假定确定的附加应力Epεcu（hp-x）/x，因此有：
表2 试件弯矩详情表
1.2.3平均裂缝间距
规范GB50010-2002中的平均裂缝间距计算公式为：
式中：c为最外层受拉非预应力筋保护层厚度，本次试验实测值均为30mm；
ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；
deq为纵向受拉钢筋的等效直径。
ni为受拉区第i种纵向钢筋的根数；
di为受拉区第i种纵向钢筋的公称直径；
vi为受拉区第i种纵向钢筋的相对粘结特性系数。
表3 平均裂缝间距实测值与计算值对比表
1.2.4短期裂缝宽度计算
规范GB50010-2010中最大裂缝宽度计算公式的基本模式是：先确定短期荷载作用下的平均裂缝间距和平均裂缝宽度，然后按裂缝宽度变异性的统计资料，给出一定保证率下的裂缝宽度作为最大裂缝宽度，并进一步考虑荷载长期作用的影响作为最终的计算值。规范中的裂缝宽度指的是梁侧表面受拉非预应力筋重心水平位置处的裂缝宽度。
若采用计算最外层非预应力筋应力的计算模式，则由图1所示，建立平衡方程和应变协调条件如下：
图1 裂缝宽度与钢筋应力关系图
2 结论
本文通过对于配有HRB500级钢筋预应力梁抗弯试验研究和理论分析得到以下结论：
（1）配置高强钢筋的后张有粘结预应力混凝土梁在达到受弯极限状态时，500MPa钢筋均可屈服，钢筋的强度得以充分发挥。按平截面假定和应变协调条件计算的受弯承载力与实测值吻合较好
（3）通过计算最外层非预应力筋应力进而计算裂缝宽度，最大裂缝宽度计算值与实测值吻合较好，但该计算模式无法体现钢绞线对平均裂缝间距的影响。
[1]中华人民共和国建设部《.混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
TU755
A
1673-0038（2015）29-0071-03
2015-6-15
董理（1986-），男，助理工程师，研究生，主要从事结构工程工作。
