唐昌辉，陈盈利

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

CRB600H高延性冷轧带肋高强钢筋具有较好的延性和性价比，推广应用前景广阔[1-5]。通过对配置CRB600H高延性冷轧带肋钢筋的8根混凝土简支梁和配置HRB400级钢筋的1根混凝土简支梁的受弯性能试验，研究配置CRB600H高延性冷轧带肋钢筋混凝土少筋、适筋和超筋梁的破坏特征、裂缝发展与分布规律、抗弯刚度、开裂和极限弯矩等受弯性能，以期达到获得试验数据和工程应用的目的。

1 试件制作与加载装置

1.1 试件的设计

钢筋采用湖南省岳阳市生产的CRB600H高延性冷轧带肋钢筋，钢筋交货为盘条状态，用无拉力钢筋调直机调直后钢筋进行了拉伸试验，结果表明，CRB600H钢筋具有明显屈服点，临近拉断时具有明显颈缩，其屈服强度标准值大于540 MPa，极限抗拉强度标准值大于600 MPa，均匀伸长率大于5%。试验所用钢筋的力学性能如表1所示。

表1 钢筋的力学性能Table 1 Mechanical properties of steel钢筋种类屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率δ5/%均匀伸长率δgt/%ARH861071415.337.02ARH1060369716.647.10ARH12549.566714.338.54C1243161323.5112.87

试验制作了8根CRB600H级钢筋混凝土梁，其中，L1为少筋梁，L3为超筋梁，其他构件均为适筋梁。此外，还制作了1根HRB400级钢筋混凝土试验梁。试验梁的截面设计尺寸均为200 mm×400 mm，跨度为3 500 mm，架立筋为2ARH8，箍筋为ARH6@120，保护层厚度为20 mm。L1～L2和L4～L9纵筋均单筋单排布置，L3的纵筋采用并筋双排布置，试验梁的编号和参数见表2。

表2 梁的试验参数Table 2 Test parameters of the beams构件混凝土强度/(N·mm-2)实测截面尺寸/mm2纵筋配筋率ρ/%L136.63209×4062ARH100.19L236.63201×4033ARH100.32L336.07204×40612ARH121.99L422.04200×4073ARH120.45L528.85200×4023ARH120.46L638.68201×4023ARH120.46L737.89204×4043ARH120.45L836.63200×4043ARH120.46L936.63200×4023C120.46

1.2 试件制作与加载装置

试件在湖南大学工程结构损伤诊断湖南省重点实验室完成，混凝土采用机械搅拌，试验梁的应变片布置如图1所示。试验采用三分点加载，试验梁的计算跨度为3 200 mm，试验采用荷载控制的单调加载，每级加载持荷约10 min，记录每级荷载作用下的百分表读数，钢筋和混凝土的应变数据并观测记录裂缝的开展情况和破坏形态[6-9]。加载装置如图2所示。

图1 构件截面示意图

图2 加载装置示意

2 试验现象分析

2.1 裂缝分布状态与破坏形态

9根试验梁的破坏状态与破坏形态如图3所示。由图3可以看出，少筋梁L1受拉区混凝土一旦开裂，裂缝高度增长很快，随即试验梁发生破坏，破坏无明显预兆，呈脆性，与适筋梁L2比较裂缝根数明显减少；而超筋梁L3在发生破坏时受压混凝土被压碎，钢筋未屈服，破坏无明显预兆，呈脆性，与适筋梁比较，裂缝分布细而密。

图3 试验梁的裂缝分布与破坏形态

配置CRB600H级钢筋的试验梁L4～L8为适筋梁，配筋相同，但混凝土强度不同，在构件的纯弯区段内的平均裂缝间距在142～150 mm之间，在准永久荷载组合值作用下实测裂缝宽度最大值为0.15 mm，最小值为0.11 mm，平均值为0.136 mm，由此可见，配筋相同，混凝土强度不同的CRB600H钢筋混凝土梁的裂缝间距和短期最大裂缝宽度相差不大。

少筋梁L1在纯弯区段内的平均裂缝间距为205 mm，比适筋构件稀疏，在准永久荷载组合值作用下实测裂缝宽度最大值为0.01 mm。超筋梁L3的纯弯段内的平均裂缝间距为100 mm，比适筋构件密，在准永久荷载组合值作用下实测裂缝宽度最大值为0.11 mm。

配置HRB400级钢筋的L9平均裂缝间距为147 mm，在准永久荷载组合值作用下实测裂缝宽度最大值为0.10 mm，与相同配筋和混凝土强度的CRB600H钢筋混凝土梁裂缝间距基本一致，但裂缝宽度比配置CRB600H级钢筋的试验梁实测裂缝宽度平均值小0.036 mm。

2.2 适筋构件的弯矩-挠度曲线

图4是适筋的试验梁的弯矩-挠度曲线，从图中可以看出，配置CRB600H钢筋的适筋梁L2、L4-L8与配置HRB400级钢筋的L9的受弯特性类似，弯矩-挠度曲线如图呈三折线，具有较明显的开裂、钢筋屈服和破坏3个特征点。

图4 适筋梁的弯矩-跨中挠度曲线

构件从加载到开裂，弯矩-跨中挠度曲线基本为直线，构件处于弹性受力阶段；开裂后出现第一次转折，进入弹塑性受力阶段，构件裂缝数量逐渐增加，裂缝宽度增大，弯矩继续增大，裂缝根数趋于稳定，裂缝宽度加大，裂缝高度增高，随着荷载继续增加，弯矩-跨中挠度曲线出现了第二次转折，弯矩-挠度曲线在钢筋屈服后，试验梁强化段比较平缓，继续加载，构件挠度增加较快，最后受压区混凝土达到极限压应变而压碎，构件破坏。

图5为少筋梁L1、超筋梁L3和适筋梁L8的弯矩-挠度曲线的对比图，少筋梁L1和超筋梁L3的弯矩挠度曲线均呈两折线型，以构件开裂为转折点。少筋构件L1一旦开裂随即破坏，超筋构件L3以受压区混凝土压溃而破坏，破坏无明显预兆。

图5 L1、L3和L8的弯矩-跨中挠度曲线

2.3 构件的弯矩-钢筋应变曲线

图6为适筋梁弯矩-钢筋应变曲线。梁试件钢筋应变取外侧两根钢筋的应变平均值，如应变片布置图1所示。从图6可以看出适筋梁弯矩-钢筋平应变曲线与弯矩-挠度曲线相似，呈三折线型，具有较明显开裂、钢筋屈服和破坏3个特征点[10]。

图6 适筋梁的弯矩-钢筋应变曲线

图7中少筋梁L1、超筋梁L3的弯矩-钢筋应变曲线呈两折线型，以构件开裂为转折点。CRB600H钢筋的屈服应变为0.002 8，少筋梁L1在钢筋达到屈服后，裂缝迅速发展至破坏；超筋梁L3在钢筋应变为0.002 4，钢筋未达到屈服时，受压混凝土压碎破坏；适筋梁L8的钢筋应变为0.013，达到其极限承载力。

图7 L1、L3和L8的弯矩-钢筋应变曲线

3 开裂弯矩和正截面承载力分析

分析结果表明，CRB600H钢筋混凝土试验梁的极限弯矩试验结果比按我国现行标准[3，14]计算的结果稍大，说明CRB600H钢筋混凝土梁的极限弯矩计算偏于安全。

表3 试验实测和分析数据Table 3 The measured and analyzed data of the test编号Mtcr/(kN·m)Mccr/(kN·m)Mtu/(kN·m)Mcu/(kN·m)Mcq/(kN·m)L115.8822.0237.1933.4715.82L219.9322.456.1349.3023.38L323.225.12181.76162.0080.15L430.527.6973.0867.7132.68L515.7217.5774.5268.3032.76L620.0919.8979.1569.6133.21L721.1523.4877.0369.9933.39L821.4323.7776.2769.7833.32L916.1822.9154.2851.9227.93ltm/mmlcm/mmwtmax/mmwcmax/mmatf/mmacf/mm205129.40.010.1530.413.90146129.40.130.1512.214.0387.591.030.110.1436.416.76142.9145.40.150.1914.534.45148.6145.40.150.1813.784.41146.4145.40.140.1613.904.11146.4145.40.110.1633.774.10150145.40.130.1654.134.15147145.40.100.1082.612.99

4 裂缝与挠度分析

4.1 裂缝分析

受弯构件的平均裂缝间距的计算从文献[3]中可知，如下公式：

lm=1.9cs+0.08deq/ρte

(1)

式中:cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；deq为纵向受拉钢筋等效直径；ρte为有效纵向受拉钢筋配筋率。

由文献[3]可知，冷轧带肋钢筋混凝土受弯梁构件钢筋重心高度处的最大裂缝宽度按如下公式计算：

wmax=αcrψσslm/τlEs

(2)

ψ=1.1-0.65ftk/(ρteσsq)

(3)

式中:τl为长期荷载作用裂缝宽度的增大系数，取1.5；αcr为受力特征系数，取1.9；Es为钢筋弹性模量；ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σsq为按荷载准永久组合计算的纵向受拉钢筋等效应力。

4.2 挠度分析

试验梁的挠度采用最小刚度法计算，构件开裂后的短期刚度按参考文献[3]中的式(4)计算：

(4)

式中:αE为钢筋和混凝土的弹性模量比值；As为纵向受拉钢筋面积；h0为截面有效高度；ρ为纵向受拉钢筋配筋率；其他字符含义同上。

5 结论

a.试验结果表明，配置CRB600H级钢筋混凝土适筋梁与普通混凝土适筋梁的弯矩-挠度曲线类似，呈三折线型，具有较明显的开裂、钢筋屈服和破坏3个特征点。配置CRB600H级钢筋混凝土的少筋梁和超筋梁与适筋梁的受力特征界限较明显，其受弯性能与普通混凝土的少筋梁和超筋梁类似。

b.配筋相同，混凝土强度不同的CRB600H钢筋混凝土梁的平均裂缝间距和准永久荷载组合作用下的短期最大裂缝宽度相差不大。

c.配置CRB600H级钢筋混凝土适筋梁的实测极限弯矩比按我国现行规范计算的极限弯矩值稍大，具有一定安全储备。