刘志彬， 曾志兴， 刘祥， 赵荣春

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021；2. 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

延性是指结构或构件在达到其极限承载力的情况下，仍能在产生一定的变形下维持它的承载力的一种变形能力，其在结构或构件出现危险后不会突然破坏,从而起到警示作用，同时，能够充分利用材料的性能[1].500 MPa级钢筋具有高强度、高延性等特点，在工程结构中，高性能材料能够起到节省材料的目的[2].我国建筑钢筋的发展大致经历了引进模仿、自主研发、引进技术和设备、吸引创新4个阶段[3-4]，总体上是由低强度向高强度发展.

近年来，国内外已对500 MPa级钢筋混凝土进行了大量研究，包括其构件的承载能力[5-7]、正常使用性能[8-11]、抗震性能[12-15]等.目前，我国已将500 MPa级钢筋列入规范使用钢筋，但其混凝土梁的设计规范仍然按照400 MPa级钢筋的要求.采用旧规范对新钢筋进行规定，有可能过于保守且浪费钢筋，不利于高强钢筋的使用和推广.因此，本文对配置500 MPa级钢筋混凝土梁的抗弯延性进行试验研究，讨论纵筋的强度等级、配筋率，以及混凝土强度对混凝土梁延性的影响.

表1 试件参数Tab.1 Parameters of specimens

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

表1为试件参数.表1中:ρ为纵筋配筋率.试验设计并制作6个钢筋混凝土梁试件，其中，2个配置400 MPa级纵筋，4个配置500 MPa级纵筋.试件均为截面250 mm×400 mm(宽×高)，长度2 700 mm的矩形梁；混凝土保护层厚度均为25 mm；HPB 300级钢筋的箍筋直径均为10 mm、间距为80 mm；混凝土梁的上层纵筋采用2根直径为10 mm的HPB 300级钢筋作为架立筋，其余纵筋均设置为底部钢筋.为获取试件在加载过程中的应变变化情况，分别在底部纵筋中间部位、混凝土梁中间截面的混凝土表面粘贴应变片.

图1 加载示意图 图2 试验加载图 Fig.1 Loading diagram Fig.2 Test loading diagram

1.2 试验加载装置、加载制度及量测

1.2.1 加载装置 为了分析混凝土梁的抗弯性能，混凝土梁的两端为铰支(一边滑动、一边固定)，采用两点同步加载形式，从而获得跨中纯弯段部分.加载示意图，如图1所示.图1中：F为荷载；a1为加载点到梁边支座间的距离，a1=800 mm;a2为两个加载点间的距离，a2=800 mm.试验加载图，如图 2所示.

1.2.2 加载制度及量测 依据相关标准的要求进行分级加载，在每个试件加载前有一个预加载部分.正式加载初期，采用力控制进行分级加载；当荷载施加至预估极限承载力的70%时，转为位移控制，分级加载，加载速率为1 mm·min-1;试件的承载力下降至极限承载力的85%后，停止加载[16].在梁底中间部位及梁顶端部安置位移传感器.

2 试验现象与结果分析

2.1 材料性能

表2为钢筋强度表.表2中：σs为屈服强度；σb为抗拉极限强度.在加载前对材料进行测试，得到C50和C70混凝土标准试块的抗压强度为53.81，2.31 MPa.

表2 钢筋强度Tab.2 Reinforcement strength

2.2 试验现象

各个试件的破坏形态相似，均为弯曲延性破坏.加载初期，各试件的首条裂纹均出现在单边荷载40 kN左右时，其裂缝宽度为0.04～0.10 mm，且裂缝均由梁底跨中部位沿梁宽度发展.随着荷载的增大，纯弯段开始不断出现竖向裂缝和新的横向裂缝，同时,在剪跨区段也开始出现细长的斜裂缝，但其宽度及发展速率较纯弯段小.当试件L1～L6的荷载分别增加到160,220,140,220,140,220 kN时，梁的裂缝开展已较为明显，此时,试件L1～L6的主裂缝宽度分别为0.62,0.36,0.30,0.46,0.36,0.30 mm；此后,由力控制转为位移控制，当试验梁达到极限荷载时，试件L1～L6的承载力分别为419.75，589.10，452.95，615.20，470.17，654.60 kN;当试件L1～L6的作动头平均相对位移分别达到33.98,25.90,34.06,27.31,36.40，27.53 mm时，试验梁纯弯段受压区混凝土压碎，钢筋已屈服，试件发生适筋破坏，试验结束.各个试件纯弯段的最终破坏图，如图3所示.

(a) L1 (b) L2 (c) L3

(d) L4 (e) L5 (f) L6图3 试件纯弯段的最终破坏图Fig.3 Final failure diagram of the specimen pure bending section

2.3 试验结果分析

2.3.1 试验梁平截面假定适用性 平截面假定即变形之前的平面在变形之后仍保持为平面[17].为了分析配置500 MPa级纵筋混凝土梁截面是否满足平截面假定，在试件中部沿着高度均匀布置了应变片，以测量不同荷载作用下的应变分布情况.各个试件的跨中截面混凝土应变分布，如图4所示.图4中：h为梁截面高度；ε为跨中截面应变.

(a) L1 (b) L2 (c) L3

(d) L4 (e) L5 (f) L6图4 试件的跨中截面混凝土应变分布Fig.4 Strain distribution of concrete in midspan section of specimens

图5 试件的跨中弯矩-挠度曲线Fig.5 Midspan bending moment-deflection curve of specimens

由图4可知：在加载初期，各个试件的应变分布沿着梁截面高度呈线性变化，随着荷载增大，该线性变化规律不再明显.总体而言，试件的截面基本上符合平截面假定.

2.3.2 试验梁跨中弯矩-挠度曲线分析 各个试件的跨中弯矩(M)-挠度(γ)曲线，如图5所示.各试件的弯矩-挠度曲线均经历了4个阶段：上升阶段1；上升阶段2；水平波动阶段；下降阶段.

由图5可知：上升阶段1持续较短，主要由于加载初期混凝土未开裂，整个试件为弹性阶段，荷载较小时混凝土即开裂，梁截面刚度突变；上升阶段2持续较长且基本为线性，当底部受拉钢筋屈服后，混凝土梁达到极限承载力；在水平波动阶段中，梁所承受的荷载不再加大，且过程较长，这一段体现了混凝土梁弯矩破坏的延性性质；随着位移的增加，混凝土不断被压碎，当受压区混凝土全部压碎后，梁所承受的荷载迅速下降，试件破坏.500 MPa级和400 MPa级钢筋的试验梁从位移曲线的变化趋势上看，是基本一致的.

表3 试件延性系数Tab.3 Ductility coefficient of specimens

3 试验的影响因素分析

对钢筋混凝土梁抗弯延性的主要影响因素有混凝土强度、钢筋强度和纵筋配筋率.

3.1 混凝土强度

在采用同样钢筋强度和纵筋配筋率的情况下，分别对比试件L3与L5，L4与L6可知，随着混凝土强度的提高，梁的抗弯承载力略有提高，混凝土强度等级由C50提高至C70，试件的抗弯承载力分别由452.95 kN提高到470.17 kN，615.20 kN提高到654.60 kN，分别提高了3.8%和6.4%.随着混凝土强度等级的增大，试件的延性也相应提高.

3.2 钢筋强度

在采用同样混凝土强度和纵筋配筋率的情况下，分别对比试件L1与L5，L2与L6可知，它们的抗弯承载力分别由419.75 kN提高到470.17 kN，589.10 kN提高到654.60 kN，分别提高了12.0%和11.1%，说明采用500 MPa级纵筋能够有效地提高试件的承载能力，而采用高强度钢筋并不能有效地提高混凝土梁构件的延性.

3.3 纵筋配筋率

在采用同样钢筋强度和混凝土强度的情况下，分别对比试件L1和L2，L3和L4，L5和L6可以发现，其抗弯承载力分别提高了40.3%,35.8%和39.2%，说明纵筋配筋率的提高能够显著改善混凝土梁的抗弯承载力，但纵筋配筋率大的试件的极限变形较小、延性较差，这与400 MPa级纵筋混凝土梁的规律类似.因此，在设计中应注意控制梁的最大纵筋配筋率，从而保障试件的延性性能.

4 结论

通过对6个钢筋混凝土梁的抗弯性能进行试验研究，分析配置500 MPa级纵筋混凝土梁截面的抗弯延性，得到以下4点结论.

1) 配置500 MPa级纵筋混凝土梁与配置400 MPa级纵筋混凝土梁的适筋受弯破坏形式类似，且混凝土梁截面基本符合平截面假定.

2) 在其他参数一致的情况下，随着混凝土强度的提高，梁的抗弯承载力和延性均有所提高.

3) 在其他参数一致的情况下，纵筋配筋率的提高能够有效提高梁的抗弯承载力，但纵筋配筋率大的试件的极限变形能力较小、延性较差.

4) 在其他参数一致的情况下，配置500MPa级纵筋的混凝土梁较配置400MPa级纵筋的混凝土梁在抗弯承载力上有较大提高，但对延性的提高有限.