细晶粒高强钢筋混凝土梁受弯性能试验与参数分析.pdf
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1、第 3 5卷 第 2期 2 0 1 3年 4月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo l J 3 5 NO 2 A pr 2O1 3 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 2 0 0 7 细品粒 高强钢 筋混凝 土梁受弯性 能试 验与参数分析 葛文杰 , 张继文 ( 1 扬 州大学 建筑科 学与工程 学院, 江苏 扬 州 ,曹
2、大富 , 戴 2 2 5 1 2 7 ; 2 东 南大 学 航 土木 工程 学院 , 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要 : 为研 究配置 了细 晶粒 高 强钢 筋 混凝 土 梁 的 受弯 性 能 , 制 作 了 HRBF 4 0 0、 HRBF5 0 0级 钢 筋 混凝 土矩 形截 面 梁各 4根进 行静 力抗 弯试验 。研 究表 明 HR B F筋混凝 土 梁在 短期荷 载作 用 下的最 大裂 缝 宽度 实测值 满足 规 范要 求 , 但 计算值 不 满足 。HRB F 4 0 0级钢 筋 混凝 土 梁在 正 常使 用条件 下 的挠 度 能满足规 范要 求 , HRB F S 0 0
3、级钢 筋混 凝 土 梁 不 能够 满 足规 范要 求。推 导 了 HR B F筋 混凝 土 梁在 裂缝 挠 度控 制条 件 下的承 载 力计 算公 式 , 提 出 了构 件 承载 力利 用 系数 的概 念 , 分 析 了钢 筋 强度 、 钢 筋直径 、 混凝土 强度 、 配筋 率 、 混 凝 土保 护 层厚 度 、 高跨 比 对构 件 承 载 力利 用 系数 的影 响 。 在 经济 配筋 率范 围 内, HR B F筋 混凝 土 梁 的延 性基 本 满足 要 求 。HR B F筋混 凝 土 梁的耗 能 能力在 较低 配 筋率 时与普 通钢 筋混凝 土 梁相近 , 但 随着配 筋率 的提 高 ,
4、 其耗 能 能 力较普 通 钢 筋混 凝 土 梁降 低 的快 。 同配筋 率下 , HRB F筋混凝 土 梁在 弹性 阶段 的耗 能能 力较普 通钢 筋 混凝 土 梁要 高 , 且 随着 配筋 率的增 大 而提 高。 关 键词 : 混凝 土 梁 ; 细 晶粒 高强钢 筋 ; 受弯 ; 挠 度 ; 裂缝 ; 延 性 中图分 类号 : T U3 7 5 1 文献标 志码 : A 文章 编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 3 8 0 8 Ex pe r i me n t a l a n d Pa r a m e t r i c An a l y s i
5、s o f t h e Fl e x u r a l Be ha v i o r o f HRBF RC Be a ms Ge We n j i e ,Z h a n g J i we n 。 ,C a o Da f u ,Da i H a n g ( 1 Co l l e g e o f Ci v i l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ,Ya n g z h o u Un i v e r s i t y ,Ya n g z h o u 2 2 5 1 2 7 ,J i a n g s u ,P RCh i n a 2 Co l l e g
6、e o f Ci v i l En g i n e e r i n g,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y,Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ,PRCh i n a ) Ab s t r a c t : I n or d e r t o i nv e s t i g a t e t he f l e xu r a l be ha v i o r o f c o nc r e t e b e a m s r e i n f o r c e d wi t h h i gh s t r e ng t h h ot r o l l e d ba r
7、 s o f f i ne g r a i n s, s t a t i c be nd i ng t e s t on f o ur r e c t a n gl e c r o s s s e c t i on HRBF4 0 0, H RBF5 0 0 RC be a ms wa s c o n du c t e dTh e r e s ul t s s ho w t ha t t he e x pe r i me nt a l ma x i m u m c r a c k wi dt h u n de r s ho r t t e r m l oa d me e t s t he r
8、e q ui r e m e nt of c u r r e nt c od e whi l e c a l c ul a t e d v a l ue d oe s no t me e t ; mi d s pa n de f l e c t i on o f RC be a ms wi t h H RBF4 00 un de r s ho r t t e r m l oa d s t i l l m e e t s t he r e qu i r e me n t of c u r r e nt c o de whi l e RC be a m s wi t h H RBF5 00 do
9、e s n o t me e t Be a r i ng c a pa c i t y c a l c u l a t i n g f o r mul a un de r c o n di t i o ns o f c r a c k d e f l e c t i o n c o nt r ol wa s p r op os e d a nd c o nc e p t i o n o f c o mpo ne nt 8 be a r i ng c a pa c i t y ut i l i z a t i o n c oe f f i c i e nt ( BCUC) wa s pu t f
10、 o r wa r dThe i n f l ue nc e s of r e i nf o r c e m e n t s t r e ng t h, r e i n f o r c e m e nt d i a m e t e r , c o nc r e t e g r a d e, r e i n f o r c e m e n t r a t i o, c o nc r e t e c o ve r t hi c kn e s s a n d h i gh s pa n r a t i o o n BCUC we r e a n a l y z e d W i t h i n t h
11、e r a ng e of e c o no mi c r e i n f o r c e me n t r a t i o, du c t i l i t y o f H RBF RC b e a ms me e t s t h e r e qu i r e me n t Ene r g y di s s i pa t i o n c a p a c i t y o f HRBF RC be a m s i s s i m i l a r t o t ha t of no r ma l RC b e a m s a t l o w r e i n f o r c e me nt r a t
12、i o bu t i t d e c r e a s e s f a s t e r t h a n n or ma l RC be a m s wi t h t he i nc r e a s i ng o f r e i nf o r c e me nt r a t i o Ene r g y d i s s i p a t i on c a p a c i t y o f H RBF RC b e a ms i s hi g he r t h a n t h a t o f no r m a l RC c o nc r e t e be a m s i n e l a s t i c s
13、 t a ge a n d i t 收 稿 日期 : 2 0 1 2 0 6 3 o 基金项 目: 国家 8 6 3高技术研究发展计划( 2 0 0 7 AA0 3 Z 5 5 0 、 2 0 0 8 AA 0 3 0 7 0 4 ) ; 国家 自然科学基金 ( 5 1 2 7 8 4 4 5 ) 作者简介 : 葛文杰 ( 1 9 8 6 一 ) , 男 , 博士 , 主要从事混凝土结构研究 , ( E r n a i l ) j s h a g w j y a h o o c n 。 张继 文( 通信作者) , 男 , 教授 , 博 士生导师 , ( E ma i l ) j w z h a
14、 n g v i p 1 6 3 c o r n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 葛文杰, 等 : 细晶粒 高强钢筋混凝土梁受弯性能试验与参数分析 3 9 e n ha nc e s wi t h t he i nc r e a s i ng o f r e i nf or c e me nt r a t i o Ke y wo r ds : c o n c r e t e b e a ms ;hi g h s t r e n g t h h o t r ol l e d b a r s o f f i ne gr a i ns ;f l e x
15、u r a l ;d e f l e c t i o n;c r a c k;du c t i l i t y 随着 经 济 的发 展 , 高强 度 钢 筋 在 混 凝 土 结 构 中 得到广泛使用 。 目前在 国际 上使用 的是 4 0 0 MP a 等级 以 上 建 筑 钢 筋 , 中 国 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 已将 HR B F 4 0 0级 、 HRB F 5 0 0级 钢 筋列 为现 行混 凝土 结构 的主导 钢筋 。高 强度 钢 筋虽 然提高了钢筋 的强度和结构的承载力 , 降低 了用钢 量 , 但 是 , 使用 高强 度钢
16、 筋 可能会 造 成 钢筋 混 凝 土构 件 出现较大裂缝或挠度而无法满足正常使用极 限状 态的要求 。配置高强度钢筋 的混凝土结构在正常使 用 阶段 能 否满 足 结 构 适 用性 和耐 久性 的要 求 , 是 高 强 度 钢筋 应用 于 实 际 工 程 应解 决 的 重 要 问题 之 一 。 因此 , 研 究 高强 度 钢 筋 混 凝 土 结 构 的 受 力 性 能 具 有 重 要 的理论 和工 程 实际 意义 。 其 他 国家学 者对 高强 度 钢筋 混凝 土 梁 的研 究 较 早 , Gu r a l n i c k 口 对 高强钢筋 T形截 面混凝土梁 受 弯性 能进 行 了研 究
17、, Ho g n e s t a d等 、 Ka a r等 、 Ti mms _ 4 对 高 强 钢 筋 混 凝 土梁 受 弯 、 裂 缝性 能 进 行 了研究 , Ky o t o等 对单 向和反复加载下高强 钢筋 混凝 土梁 在正 常 使用极 限状态 和承 载 力极 限状 态 下 的结 构性 能 进 行 了研 究 , Ma t s u mo t o等 对 配 置 了 1 1 种 钢筋类 型 的 T形 截 面 高 强 钢 筋 混 凝 土 梁 进 行 了研 究 , L o r r a i n等 对高 强钢 筋 混凝 土 梁 进行 了数 值模拟分析 , Ma s t 等 提出了一种适用于高强钢筋
18、 混凝 土梁 承载力 的计算 方法 。中 国对 于高 强 钢筋 混 凝 土 梁 的研究 基本 处 于起 步 阶段 。天 津大 学 的 王铁 成 等 、 李 艳艳 等l_ 】 。 。 对 配 置 5 0 0 MP a钢筋 的混 凝 土 梁和配有蒙皮钢筋 的梁受弯、 受剪性能进行 了试验 研 究 。青 岛 理 工 大 学 的王 命 平 等_ 】 通 过 对 比 试 验 研 究 , 建议 5 0 0 MP a 级 带 肋碳 素 钢 筋 混凝 土简 支 梁 的挠度 、 裂缝均按现行规范进行计算 , 但挠度值应乘 以扩大 系数 f y 3 0 o ( 建议 取 f y 一4 2 0 MP a ) 。华
19、侨 大 学 的王 全凤 等口 分 析 了 HR B 5 0 0级 钢 筋 和 高 强 混 凝 土匹 配下 的梁 的破 坏形 态 、 变形 特 点 和承 载 性 能 。 同济大学的苏小卒等【 1 、 李志华等u 、 赵勇等 阳对 高强 钢 筋混凝 土 梁和 配表 层钢 筋 的高 强 钢筋 混 凝 土 梁 的短 期裂缝 、 刚 度 进 行 了研 究 。江 苏 大 学 的 陆 春 华等口 建议从 降低最大裂缝宽度保 证率和调整计 算 钢 筋应 力 2个方 面对 配置 HR B 5 0 0高强 钢筋 的受 弯构件裂缝宽度计算方法进行适 当的修正。 目前 中 国大部 分研 究者 根据 试 验研 究 对
20、钢筋 混 凝 土 结构 设计 理 论 中 的某 些 参 数 ( 如 构 件 受 力 特 征 系数 a 平均 裂 缝 间距 计 算 公 式 中 的系 数 , 长 期 荷 载 作用 下 的裂 缝 宽 度 扩 大 系 数 钢 筋 应 变 不 均 匀 系数 等 ) 进 行 了修 正 , 或将计 算 公式 乘 以修 正 系数 ( 如 挠度 乘 以 f y 3 0 0 、 1 2 5 , 最大 裂缝 宽 度 乘 以 0 9 , 相 对承 载力 刚度 修 正 系 数 。 ) 。本 文 从 正 常 使 用 极 限状态 出发 , 推 导 了裂 缝 挠度 控 制条 件 下 的承 载力 计算 公式 并 进行 了参
21、数 分 析 , 并 对 梁 的 延性 及耗 能 性 能也进 行 了分 析 。 1 试验概 况 设计 制作 了 HRB F 4 0 0级 钢 筋 、 HR B F 5 0 0级 钢 筋混 凝土 梁 弯 曲破 坏 构 件 各 4根 , 构 件 的截 面尺 寸 及 配 筋见 表 1 。钢筋 的力 学性 能见 表 2 。 表 1构 件 尺 寸 及 配筋 试件号l 2 裂缝性 能 2 1 最 大 裂缝 宽度 计算 试验 测得 试验 梁 在短期 荷 载作 用 下最 大 裂缝 宽 一 一 一 一 一 一 一 一一一 一一 一姚髓一一 m 蕊翥 一 一 一 一 一 一一一 一一 一一一一一一一 一 一 一 一
22、 一 一 一 一 一 一 一一一一一 耙一腓龋一一 l l 一 一 H H 一 H H H H H H H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5卷 度 随荷载 的变 化 曲线如 图 1 所 示 。 图 1 各试验梁荷载一 裂缝宽度 曲线 从 图 1可 以看 出 , 细 晶粒 高 强钢 筋混 凝 土 梁 开 裂 时初 始裂 缝宽度 很小 , 从 开裂荷 载 到屈 服荷 载 , 裂 缝 宽度 近似 按 线性 增 大 , 达 到 屈 服荷 载后 裂 缝 宽 度 急剧 增大 ; 混凝 土结 构设计 规范 GB 5 0 0
23、1 0 - 2 0 0 2 在 计算 最大 裂缝 宽 度 时取 荷 载 效 应 的标 准组 合 , 一 般 情况 下荷 载效 应标 准组 合 约 为极 限荷 载 的 8 0 , 试 验梁 在达 到短 期 荷 载最 大 裂 缝 宽 度控 制 值 叫 一 0 2 mm 时 , M M 的值 基本 大 于 0 8 。? 昆凝 土结 构 设计 规范 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0在 计算 最 大 裂缝 宽 度 时 取荷 载 效应 的准 永 久 组合 , 一 般情 况 下 荷 载 效 应 准 永久值为标准值的 8 o , 试验梁在达到短期荷载最 大裂缝宽度控制值 一0 2 mm时 , M
24、M 的值 全部 大 于 0 6 4 。表 明在正 常使 用 条件 下 , HR B F筋 混 凝 土梁在 荷载 效应 的标 准组合 下 和准 永 久组合 下 裂缝 宽度都 满 足规 范要求 。 矩形 截面 钢筋混 凝 土受弯 构件 在短 期 荷载 作用 下 的最大 裂缝 宽度 ( ram) 可按 下列 公式计算 : 训 一 a c t z ( 1 ) 一 1 1 0 6 5 且 ( 2 ) J 0t e Z 一 口 ( 1 9c+ 0 08( A e_ _ qq ) ( 3) 一 堕 ( 4 ) e 。 一 _ a n i79 id i 4 l0 t 一 ( 5) 式 中 : 为 构件 受力特
25、 征 系 数 , 对 受 弯 构件 , 2 0 0 2版 规范 与 2 0 1 0版 规 范规 定 短 期 荷 载 作 用 下 的取 值 分 别 为 1 4和 1 2 7 ; 为裂 缝 问纵 向受拉 钢 筋 应 变 不 均 匀系数 , 当 1时 , 取 一 1 ; 为纵 向受 拉 钢筋 的应 力 ; E 为 钢 筋 弹 性 模 量 。p为构件受力特征系数, 对于受弯构件 , 卢 一1 0 ; c 为 最外层 纵 向受 拉钢 筋 外边 缘 至 受 拉 区底 边 的距 离 , mi i 1 。当 c 2 0时 , 取 c 一2 0 。 当 f 6 5时 , 取 c 一 6 5 ; d 。 为受 拉
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