配置高强钢筋的混凝土梁裂缝试验研究.pdf
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1、第 3 2卷 第 1期 2 O 1 0年 O 2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 Vo1 3 2 No 1 Fe b2 Ol O 配置高强钢筋 的混凝土 梁裂缝试验研究 李志华 , 苏小卒 , 赵 勇 ( 1 扬 州大学 建筑科学与工程 学院, 江苏 扬 州 2 2 5 0 0 9 ; 2 同济大学 土木 学院, 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 : 采 用两点 对称集 中的 同步分 级
2、加 载 方 式 , 对 8根 配置 5 0 0 MP a 钢 筋和 4根 配置 4 0 0 MP a 细 晶钢 筋 的混 凝土 梁进行静 力加 载 试验 , 观 测试 件 的 裂缝 发展 过 程 , 了解 此 类构 件 的裂 缝特 点 , 为 工程中推 广应用 5 0 0 MP a钢筋和 4 0 0 MP a细晶钢筋提供试验依据。试验结果表明, 配置 5 0 0 MP a 钢筋和 4 0 0 MP a细晶钢 筋的 受弯构件 裂缝发展 规律 与 普通 钢 筋混凝 土 受 弯构件 基 本相 同 , 但在 正 常使 用状 态下 , 按 照现 行混 凝 土 结构 设 计规 范对 此 类构 件 进 行
3、裂 缝 宽度 验 算 , 计 算值 均 大 于试 验 值 。同时 , 结合 其 它 6 7根 配置 高强钢 筋 的混 凝 土梁试 验 数 据 , 评 估 了现 行 混凝 土结 构设 计规 范裂 缝宽度公 式 的适 用性 , 并在 该规 范的计算模 式基 础上 , 提 出平均 裂缝 间距及 短期 最大 裂缝 宽度计 算 的修 正公 式 , 修 正公 式的计 算结果 与试验 结果 符合较好 。 关键词 : 钢 筋混 凝土 ; 梁 ; 高强钢 筋; 裂缝 间距 ; 裂缝 宽度 中图分类 号 : TU3 7 5 1 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 l
4、0 ) 0 1 - 0 0 5 1 一 O 5 Ex p e r i me nt a l Ana l y s i s o f Cr a c k i n g Be ha v i o r o f Co n c r e t e Be a m s Re i nf o r c e d wi t h Hi g h _ - S t r e n g t h Ba r s Lf Z, 1 - h u a , SU Xi a o Z U (1 Bui l di n g Sc i e nc e a nd En gi ne er i n g Col l e ge, Yan g z ho u Uni ve r s i
5、t y, En g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,PRCh i n a ) ,ZHAO Y o n g Ya n gz h ou 2 25 0 09, P R Ch i n a; 2S c ho ol o f Ci v i l Ab s t r a c t :Ei gh t c o n c r e t e b e a m s r e i nf o r c e d wi t h 5 0 0M Pa s t e e l b a r s a n d f ou r r e i nf o
6、r c e d wi t h 4 00 M Pa u l t r a f i ne g r a i n s t e e l b a r s we r e t e s t e d u nd e r t wo po i n t s y m me t r i c a l c on c e nt r a t e d s t a t i c l o a d i n g t o o bs e r v e t h e d e t a i l s o f c r a c k p a t t e r n d e v e l o p m e nt on t he s e b e a ms a nd i nv e
7、s t i ga t e t h e i r c r a c k i ng c ha r a c t e r i s t i c s I t wa s s ho wn t ha t t he c r a c ki n g b e h a v i o r of t he be a m s wi t h hi g h s t r e ng t h b a r s wa s e s s e n t i a l l y s i m i l a r t o t ha t o f c o m mo n RC f l e x ur a l me mbe r s,whe r e a s t h e c o m
8、pu t e d c r a c k wi d t hs u s i ng t he f o r m u l a a d op t e d i n t he Co d e f or De s i gn o f Con c r e t e St r uc t u r e s GB 5 0 01 0 - 2 0 0 2 e x c e e d e d t ha t o f t h e e xp e r i me n t u nd e r t h e n or ma l s e r v i c e Fur t h e r mo r e,t he f o r m u l a s f o r c r a
9、 c k s pa c i n g a n d c r a c k wi d t h s p e c i f i e d i n GB 5 0 0 1 0 2 0 02 we r e e v a l u a t e d t h r ou g h t he e x p e r i me n t a l r e s u l t s a n d p r e v i o u s s t ud i e s o f s i x t y s e ve n c o nc r e t e b e a m s r e i nf or c e d wi t h hi gh s t r e n g t h ba r
10、s ( ) n t he b a s i s o f t he c a l c ul a t i o n m o d e l i n GB 5 0 01 0 - 2 0 02。r e v i s e d f o r mul a s f o r c r a c k s p a c i n g a nd c r a c k wi d t h we r e pr o p os e d The v a l u e s c a l c ul a t e d by r e v i s e d f o r mul a s we r e i n go o d a gr e e me n t wi t h t
11、h e t e s t r e s ul t s Ke y wo r ds :r e i n f o r c e d c on c r e t e;b e a m s ;h i g h s t r e n g t h ba r ;c r a c k s p a c i n g;c r a c k wi d t h 在发达 国家 5 0 0 MP a钢筋 已成为非预应力 钢 筋混凝土结构的主导钢筋 , 而我国的非预应力钢 筋混凝土结构长期以来主要采用屈服强度标准值不 超 过 3 3 5 MP a的钢筋 , HR B 4 0 0钢 筋于 1 9 9 6年列入 收 稿 日期 : 2 0 0 9 0
12、8 0 7 基金项 目: 国家“ 8 6 3 ” 计划课题( 2 0 0 4 AA 3 3 G 0 5 0 ) 作者简介 : 李志华( 1 9 8 2 一 ) , 女 , 博士 , 主要从事 昆 凝土结构研究 , ( E ma i l ) l i z h i h u a 一 1 9 8 2 t o m c o r n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 2 卷 国家 标 准 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) ( 以下简称 规范 ) 中。为了使 国内的非预 应力 钢筋
13、混凝 土结 构 所用 钢 筋 与 国际 接 轨 , 我 国新 研制 了 5 0 0 MP a 钢筋 及 4 0 0 MP a 细 晶钢筋 , 但 因缺 乏相 应试 验资 料 而 尚未 列 入 规 范 中, 因此 有 必要 补 充相关 的试验 资料 。 一 般来讲 , 在同等结构体系 中, 钢筋强度越高, 材料 用量 就 会 减 少 , 可 获 得 较 好 的社 会 经 济 效 益 。 但配 置高 强钢筋 的构件 可能 由使用 性 能要 求控 制 配 筋设 计 而 限 制钢 筋 强 度 的发 挥_ 6 。 , 对 此 , 结 构 工 程 师对采用 强度 较 高 的非 预 应 力钢 筋 持 慎 重
14、 的 态度 。 因此 , 研 究配置 5 0 0 MP a钢筋或 4 0 0 MP a细 晶钢筋 的混凝 土构件使 用性 能是一 个有 意义 的课 题 。该 文 主要通 过 配置 5 0 0 MP a钢筋 和 配 置 4 0 0 MP a细 晶 钢筋 的混凝土 梁 受 弯性 能 试 验 , 研 究配 置 高强 钢 筋 混 凝土梁 的裂 缝 特点 , 同时 结 合 已有 配 置 高 强 钢 筋 的混凝 土梁试 验 数 据 , 评 估 规 范 中裂 缝 宽 度 公 式 的适用 性并提 出修 正建议 。 1 试验概况及结果 试 件 为 8根 配 置 5 0 0 MP a钢 筋 ( 其 中 直 径 2
15、 5 mm的为细 晶钢筋 , 直径 3 2 mm 的为 HR B 5 0 0钢 筋 ) 和 4根配 置 4 0 0 MP a细 晶钢 筋 的混 凝 土 梁 , 设 计 时 主要考 虑保 护 层 厚 度 、 纵 向受 拉 钢 筋 直 径 和 配 筋率 等参数 。所有 试件 均正 位浇 注 。配 置 4 0 0 MP a 钢筋 的混凝 土梁 采用 三分点集 中对 称 的 同步分 级 加 载方 式 。配 置 5 0 0 MP a钢 筋 的混 凝 土 梁 采 用反 位 加载 ( 图 1 ) , 便 于 观 测 受 拉 底 面 的 裂 缝 。试 件 明 细 如 图 2及 表 1 所 示 。 图 1 试
16、件 反 位 加 载 示 意 图 可 通 4 一 ( a) e 4 o o MP a 钢筋混凝土试件配筋 I2 r I I I 画画 二二襄 12 L I 1: I l ! l 2 J l ( b)t e S 0 0MP a 钢筋混 表 1 试 验 梁 的基 本 参 数 瑚 梦 2 凝 土试 件配筋 图 2试件配筋 配 置 4 0 0 MP a细 晶钢 筋 的试 件 每 个 试 件 单 独 浇注, 每个试件浇注后各 留置 3组 ( 每组 3个) 边长 为 1 5 0 I I I I T I 的立 方 体 混凝 土 试 块 , 并 与试 验构 件 同 条件养护 。配置 5 0 0 MP a钢筋的试
17、件分 2批浇注 ( 每种强 度 的混 凝 土 为 1批 ) , 每 批 浇 注 后 各 留置 3 组( 每组 3个 ) 边 长为 1 5 0 mm 的立 方体混凝土试 块 , 并 与试验构 件 同条 件 养 护 。每 种 钢 筋 取 3个 试 样 。试 件试验 时 , 进 行 了材料性 能 试验 , 各 试块 混凝 土立方强度的平均值见表 l 。钢筋强度的平均值见 表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李志华 , 等 : 配置 高强钢筋 的混凝 土 梁裂缝试验研 究 表 2钢 筋 实 测 力 学 指 标 各试件 所经历 的裂缝 发展 过程基 本
18、 相 同 。加 载 至 0 1 P ( P 为计 算 极 限荷 载 ) 左 右 时 , 截 面 未 开 裂 , 构 件 表 现 为 弹 性 变 形 特 征 。荷 载 加 至 0 2 0 3 P 时 , 用 肉 眼可 在 纯 弯段 底 面及 两 侧 面发 现 一 条或 多条裂 缝 , 宽 度很小 , 侧面 裂缝高 度 一般 可达 到 梁高的 l 4 1 3 。随着荷 载的进一步增加 , 纯弯段 裂缝 逐渐增 多 , 并逐 渐 延 伸 。 宽 度也 逐 渐 加 大 , 斜 裂 缝 出 现 。当 荷 载 加 至 0 5 P 左 右 时 , 裂缝 基 本 出 齐 。典 型裂缝 分 布如 图 3 ( 图
19、 中 的数 字 表 示 加 载 级 别 , 两 虚 线 问 的 区 段 为 试 件 纯 弯 段 ) 所 示 , 配 置 5 0 0 MP a 钢筋且 保 护 层 厚 度 约 为 2 5 mm 的 试 件 表 面出现可 见次 生 裂缝 ( 计 算 裂缝 间距 时将 这 些 裂 缝 予 以剔 除) , 其余试 件表 面基本 未 出现此 类 裂缝 。荷 载达 到 P 时 , 跨 中附近 一 条裂 缝 宽 度迅 速 增 加 , 最 终试 验梁 因受压 区混凝 土被压 碎而破 坏 。各试 件 的 裂缝间距及裂缝宽度实测值详见文献 8 。 ( d)斌仆B 4 、 I 的裂缝罔 蚤 ( 1 )b t f t
20、 :l S I I V ,J 裂缝 i 誊 一 j 毒 ; 【 I)h t tt :C B 5 一 I 的裂缝 g 图 3 部 分 试 件 的 侧 面 裂 缝 图 2 试验结果分析 2 1 以往 配 高强钢筋 的混凝 土梁 裂缝试验 研究 对 于配置高 强钢筋 的混凝 土梁 , 东 南大 学 、 郑 州 大学 、 石 家庄 铁 道 学 院 的 学 者 曾 进 行 过 相 关 的 试 验 研 究 , 试 件 中 的 钢 筋 包 括 了HR B 4 0 0 和 HR B 5 0 0钢筋 , 混凝 土强 度 等 级 在 C 1 5 一C 8 0的 一 个 比较广 的范 围。试 验 多采用 千斤顶 两
21、 点集 中对 称 正 位加 载 以研 究 短期 的 裂缝 , 也有 研究 者 】 设 计 了 特殊 的加 载装 置进 行 了长 期试 验 。试 验 结 果 表 明 , 配置高强钢筋的高强混凝土( C 7 0 ) 试件裂缝开展情 况优 于普 通 钢 筋 混 凝 土试 件 ; 配 置 高 强 钢 筋 的 普通 混凝 土构件 , 使 用荷 载阶段 的裂 缝 宽度 较大 , 可 能 不满足 规范要求 。 。 2 0世纪 6 o年代初 , 美国 P C A研究室口 。 一 对配 置 高强度 钢筋 的混 凝 土 梁裂 缝 进行 了试 验 研 究 , 试 件 的钢筋 屈 服 强 度 在 5 8 0 6 7
22、0 MP a之 间 , 混 凝 土 圆柱 体抗 压强度在 2 6 5 3 9 7 MP a之 间 。试验 均 采用 两点 集 中对称 加载 , 其 中部分 梁采 用正 位加 载 , 部分 梁采用 反位加 载 。试 验结 果表 明 , 梁 的 高度 、 宽 度 及混凝 土抗压 强 度 对裂 缝 宽 度 的影 响 不 明 显 ; 混 凝土保 护层 厚度对 裂缝 宽度 的影 响显 著 。 2 2 裂缝 宽度与 规范 公式 的对 比分析 按 规 范 公 式 计算 试 件 的 平 均裂 缝 间 距 , 实 测 值平 均仅 为 计 算 值 的 8 4 。按 规 范 公 式 计 算 文 中 1 2根及 文献
23、 9 一 l 6 中 3 5根 配置 高 强钢 筋 混凝 土 梁的平均裂缝间距 , 实测值 如与计算值 之比的均 值 为 0 8 6 , 变 异系数 为 0 1 3 5 。可 见 , 按 规范 公 式 计算 此类 构件 的平 均裂缝 间距 时其值 偏大 。 文 中试件 的短期 最 大 裂缝 宽 度 叫 普 遍 小 于 按 规范 公 式计 算 的 结果 叫 。对 于保 护层 厚 度 约 为 2 5 mm 的试件 , 在钢 筋应力 不大 于 3 0 0 MP a时 让 1 0 , 均值 为 0 9 2 , 在钢筋 应 力大 于 3 0 0 MP a 时 训0 叫 均 值 为 0 8 0 ; 对 于
24、 保 护 层 厚 度 约 为 6 0 mm 的试 件 , 短 期最 大 裂缝 宽 度 实测 值 平 均仅 为 计算值 的 7 O 。按 规 范 公 式 计算 文 中 1 2根 及 文 献 9 1 6 中配 置高强 钢筋混 凝土梁 的短期 最大裂 缝 宽度 , 实测值与计算值 之 比的均值 为 0 8 2 , 变异系 数 为 0 1 9 5 。 国外 3 2根 配 高 强 钢筋 混 凝 土 梁l 】 。 ( 剔 除 了保 护层厚 度小 于钢筋 直径 的试件 , 对 混凝 土 抗压 强度 及钢 筋应 力 等 数据 均 做 了换 算 ) 的短 期 最 大 裂缝宽 度 与 按 规 范 公 式 计 算值
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