高強(qiáng)鋼筋(CRB550)在柱構(gòu)件中的應(yīng)用與推廣*

萬(wàn)海濤， 楊　琳， 汪一帆， 張瀚文

(河南大學(xué) a. 土木建筑學(xué)院， b. 教育科學(xué)學(xué)院， 河南 開(kāi)封 475001)

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高強(qiáng)鋼筋(CRB550)在柱構(gòu)件中的應(yīng)用與推廣*

萬(wàn)海濤a， 楊琳b， 汪一帆a， 張瀚文a

(河南大學(xué) a. 土木建筑學(xué)院， b. 教育科學(xué)學(xué)院， 河南 開(kāi)封 475001)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一[1]，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要材料是鋼材和混凝土，它們均為高耗能建筑材料，而且污染環(huán)境.據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)估算，冶煉1 t鋼材要消耗1.66 t標(biāo)準(zhǔn)煤，生產(chǎn)1 t水泥要消耗185 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)排放出1.28 t二氧化碳，這均需消耗大量的自然資源，并在一定程度上污染了環(huán)境，對(duì)自然生態(tài)產(chǎn)生一定破壞.我國(guó)提倡的“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計(jì)劃在構(gòu)想之初就希望將其打造為綠色環(huán)保和節(jié)能減碳的建設(shè)計(jì)劃.正是基于此背景，我國(guó)結(jié)構(gòu)工程行業(yè)需要積極利用有限的資源，減少能源消耗，提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，節(jié)約結(jié)構(gòu)材料的使用量，積極推廣高強(qiáng)度材料的應(yīng)用.高強(qiáng)鋼筋是一種目前比較適合我國(guó)結(jié)構(gòu)工程環(huán)境的節(jié)能減碳的建筑材料[2].

高強(qiáng)鋼筋(CRB550)是由土木工程材料中應(yīng)用較為廣泛的一級(jí)鋼筋HPB235進(jìn)行冷加工而制成的，此種鋼筋提高了鋼筋強(qiáng)度但鋼筋延性變化不大[3].如果能在建筑結(jié)構(gòu)物中大范圍使用小直徑的CRB鋼筋代替大直徑的HPB鋼筋，而兩者的承載力及變形相近，可以大大節(jié)省鋼材的用量，對(duì)提倡“可持續(xù)性工程”和“綠色工程”具有重要的意義.雖然目前CRB鋼筋在樓板以及剪力墻的應(yīng)用較為常見(jiàn)[4-5]，但在柱構(gòu)件中的應(yīng)用則較為少見(jiàn).本文通過(guò)對(duì)22根鋼筋混凝土柱進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，以期通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證在鋼筋混凝土柱構(gòu)件中，按照等強(qiáng)原則用較小直徑的CRB鋼筋作為箍筋來(lái)代替較大直徑的HPB鋼筋具有一定的可行性.

1　試驗(yàn)概況

1.1鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件試驗(yàn)參閱現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]后，設(shè)計(jì)了22條RC柱構(gòu)件(鋼筋混凝土柱構(gòu)件)，RC柱構(gòu)件按照截面尺寸、軸壓比、主筋及配箍形式等不同分為11組.截面尺寸有兩種，分別為350 mm×350 mm和300 mm×300 mm.軸壓比有3種，分別為0.7、0.8、0.9.主筋有2種，分別為φ16和φ22.為了證明在RC柱構(gòu)件中采用較小直徑的CRB550鋼筋能夠替代大直徑的普通一級(jí)鋼筋(HPB235)作為箍筋，用φR6.25對(duì)比φ8(φ代表HPB235鋼筋，φR代表CRB550鋼筋)，用φR7.75對(duì)比φ10，用φR9.25對(duì)比φ12進(jìn)行試驗(yàn).RC柱構(gòu)件詳細(xì)參數(shù)如表1所示.

1.2材料力學(xué)性能

1.2.1砼(混凝土)立方體試塊強(qiáng)度

本文試驗(yàn)所有鋼筋混凝土構(gòu)件的砼強(qiáng)度等級(jí)均為C30，參照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，在澆筑砼的同時(shí)對(duì)砼取樣，澆筑成立方體混凝土試塊，其邊長(zhǎng)為150 mm.按照混凝土規(guī)范中規(guī)定的養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在荷載試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)度.

1.2.2鋼筋的力學(xué)性能

試驗(yàn)參照規(guī)范選用強(qiáng)度為335 MPa的二級(jí)鋼筋作為構(gòu)件主筋，選用強(qiáng)度為235 MPa的一級(jí)鋼筋和強(qiáng)度為550 MPa的冷軋帶肋鋼筋作為構(gòu)件箍筋.取本次試驗(yàn)所用的部分鋼筋作為鋼筋試驗(yàn)試樣在拉伸機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)[8].

表1　鋼筋混凝土柱構(gòu)件參數(shù)Tab.1　Parameters for RC column members

1.3構(gòu)件制作

由于構(gòu)件本身尺寸的限制，在構(gòu)件的制作過(guò)程中，各構(gòu)件預(yù)先在試驗(yàn)室外進(jìn)行鋼筋綁扎、模板安裝以及混凝土澆筑等工作，特別注意在澆筑之前需將綁扎完成的鋼筋籠填入模板并適時(shí)調(diào)整保護(hù)層厚度，如圖1、2所示.

圖1　模板安裝Fig.1　Installation of template

圖2　構(gòu)件鋼筋的綁扎Fig.2　Binding for steel bars of members

1.4試驗(yàn)加載裝置

水平加載選用外伸式加載儀器，通過(guò)外伸式加力筒加載水平力，水平力的大小由與加力筒相連的計(jì)算機(jī)控制.水平力加載裝置用鋼螺栓連接在反力墻加力筒上作為主體結(jié)構(gòu)，加力筒通過(guò)構(gòu)件上的鋼拉條和鋼板對(duì)構(gòu)件頂部的中心軸處施加水平力，構(gòu)件用壓梁和固定螺桿固定在地面上.

豎向加載選用千斤頂加載豎向力，千斤頂所施加的豎向力通過(guò)設(shè)置在構(gòu)件頂端的鋼板和滾軸施加在構(gòu)件頂端中心.千斤頂固定在試驗(yàn)廠房的上部鋼梁上，構(gòu)件同樣用壓梁和固定螺桿固定在地面上.圖3為鋼筋混凝土柱構(gòu)件的加載設(shè)備實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)圖.

圖3　鋼筋混凝土柱構(gòu)件試驗(yàn)裝置Fig.3　Test device for RC column members

鋼筋混凝土柱構(gòu)件在試驗(yàn)時(shí)不僅要施加豎向力以提供軸向壓力，還要在加載過(guò)程中施加水平力以模擬地震作用，但要注意在試驗(yàn)過(guò)程中豎向軸力保證一次加載至構(gòu)件中心且豎向力大小保持恒定.

鋼筋混凝土柱構(gòu)件施加水平力通過(guò)外伸式加力筒施加，采用力和變形聯(lián)合加載的方法，構(gòu)件在線彈性階段范圍內(nèi)選用循環(huán)加荷方式，每次荷載增加量設(shè)定為構(gòu)件極限承載力的1/10.彈性階段過(guò)后，對(duì)構(gòu)件選用變形控制的循環(huán)加荷方式，如圖4所示，當(dāng)構(gòu)件破壞明顯時(shí)停止試驗(yàn).

圖4　構(gòu)件加載控制方案Fig.4　Load controlling scheme for members

1.5量測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

1.5.1量測(cè)內(nèi)容

本文需要測(cè)量觀察的內(nèi)容如下：

1) 構(gòu)件在試驗(yàn)加載作用下的損傷形態(tài)和裂縫的發(fā)展模式；

2) 構(gòu)件在試驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)階段的變形情況以及相應(yīng)的荷載數(shù)據(jù)；

3) 構(gòu)件在荷載和變形聯(lián)合加載下的鋼筋應(yīng)變大小、水平側(cè)向變形以及力與頂端位移的曲線關(guān)系.

1.5.2測(cè)點(diǎn)布置

在鋼筋混凝土構(gòu)件鋼壓梁上面、混凝土構(gòu)件表面及內(nèi)部都要放置位移計(jì)用于測(cè)量構(gòu)件變形情況，特別是構(gòu)件在加荷過(guò)程中塑性鉸處的側(cè)向變形和轉(zhuǎn)角變形.同時(shí)為了監(jiān)測(cè)加載過(guò)程基座是否發(fā)生平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，避免基座滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)使荷載加載出現(xiàn)偏心，需在基座梁表面布置位移計(jì).

1.5.3數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集及處理過(guò)程如下：

1) 由靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[9]自動(dòng)采集在不同加載狀態(tài)下的應(yīng)變片與位移計(jì)的數(shù)據(jù)；

2) 試驗(yàn)人員通過(guò)照相機(jī)或攝像機(jī)等設(shè)備記錄構(gòu)件的損傷形態(tài)和裂縫的發(fā)展模式；

3) 試驗(yàn)人員需記錄下試驗(yàn)加載過(guò)程中構(gòu)件在各個(gè)試驗(yàn)階段下的變形值和相應(yīng)荷載；

4) 試驗(yàn)人員在試驗(yàn)完成后對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)處理與分析.

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5　鋼筋混凝土柱構(gòu)件組c-1骨架曲線Fig.5　Skeleton curves for RC column member c-1

圖6　鋼筋混凝土柱構(gòu)件組c-2骨架曲線Fig.6　Skeleton curves for RC column member c-2

圖7　鋼筋混凝土柱構(gòu)件組c-10骨架曲線Fig.7　Skeleton curves for RC column member c-10

對(duì)比分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的柱構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的柱構(gòu)件具有相近的承載力和變形能力.

2.2柱構(gòu)件破壞形態(tài)對(duì)比分析

由于柱構(gòu)件組數(shù)較多，此處只對(duì)典型的一組柱構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比來(lái)考察CRB550鋼筋作箍筋的構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的構(gòu)件在破壞形態(tài)上的差別，構(gòu)件組破壞形態(tài)如圖8所示.

圖8　構(gòu)件組c-3構(gòu)件破壞形態(tài)Fig.8　Failure morphologies for member group c-3

2.2.1c-3-1構(gòu)件的破壞過(guò)程及破壞形態(tài)

構(gòu)件c-3-1在試驗(yàn)中處于力控制狀態(tài)時(shí)，水平力達(dá)到150 kN之前構(gòu)件屬于彈性階段.當(dāng)正向水平力達(dá)到150 kN時(shí)，在構(gòu)件左側(cè)面距離底部25.8 cm位置上出現(xiàn)一條水平貫穿裂縫(此處正向?yàn)閳D8a中從左到右的方向，反之為反向)，正面底部以及離正面底部26.5 cm處分別出現(xiàn)6.8和9.3 cm的水平裂縫(此處正面為圖8a中視線看到的那一面，反之視線看不到的面為背面).當(dāng)反向水平力達(dá)到190 kN時(shí)，原先出現(xiàn)的裂縫不斷拓展，構(gòu)件左側(cè)面和右側(cè)面出現(xiàn)多條貫穿裂縫，且左側(cè)面距離底部28 cm位置上的一條水平裂縫逐步演變成為斜裂縫，此刻構(gòu)件底部的縱筋出現(xiàn)屈服，也認(rèn)為構(gòu)件屈服.構(gòu)件c-3-1在試驗(yàn)中處于變形控制狀態(tài)時(shí)，當(dāng)水平變形達(dá)到25 mm時(shí)，構(gòu)件底部出現(xiàn)鼓裂現(xiàn)象，構(gòu)件的表層混凝土被壓酥并且開(kāi)始脫落.伴隨著水平變形逐步增大，豎向裂縫慢慢出現(xiàn)于構(gòu)件四周底部.當(dāng)水平變形達(dá)到50 mm時(shí)，左側(cè)面距離底部高度為18.5 cm以下的表層混凝土開(kāi)始出現(xiàn)大面積剝落.當(dāng)水平變形達(dá)到65 mm時(shí)，構(gòu)件背面底部的混凝土已經(jīng)全部被壓酥且剝落，此刻構(gòu)件底部縱筋也已經(jīng)外露，且在試驗(yàn)繼續(xù)循環(huán)加荷時(shí)可以觀測(cè)到構(gòu)件的縱筋在受壓時(shí)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象.當(dāng)水平變形達(dá)到75 mm時(shí)，正面靠左側(cè)的一條斜裂縫已經(jīng)從構(gòu)件底部拓展至58 cm高處，同時(shí)構(gòu)件正面的底部也出現(xiàn)大量豎向裂縫向上延展，此時(shí)構(gòu)件底部出現(xiàn)塑性鉸.當(dāng)水平變形達(dá)到85 mm時(shí)，正面底部的混凝土已經(jīng)大面積剝落，箍筋外露，此時(shí)構(gòu)件c-3-1的承載力大幅度下降.當(dāng)試驗(yàn)加荷至第二個(gè)循環(huán)時(shí)，構(gòu)件的承載力已經(jīng)下降至約50%，此時(shí)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，停止加荷，至此整個(gè)試驗(yàn)完成，試驗(yàn)結(jié)果表明構(gòu)件呈現(xiàn)彎曲型破壞.

2.2.2c-3-2構(gòu)件的破壞過(guò)程及破壞形態(tài)

構(gòu)件c-3-2在試驗(yàn)中處于力控制狀態(tài)時(shí)，水平力達(dá)到155 kN之前構(gòu)件屬于彈性階段.當(dāng)正向水平力達(dá)到155 kN時(shí)，正面距離底部25.5 cm處出現(xiàn)一條長(zhǎng)約8.8 cm的水平裂縫(此處正向?yàn)閳D8b中從左到右的方向，反之為反向)，左側(cè)面距離底部28 cm處出現(xiàn)一條長(zhǎng)約12.8 cm的水平裂縫.隨著水平力的逐步增大，構(gòu)件正面底部逐漸出現(xiàn)較多水平裂縫(此處正面為圖8b中視線看到的那一面，反之視線看不到的面為背面).當(dāng)反向水平力達(dá)到200 kN時(shí)，構(gòu)件左側(cè)面底部出現(xiàn)一條水平貫穿裂縫，右側(cè)面距離底部28.5 cm處也出現(xiàn)一條水平貫穿裂縫，此刻構(gòu)件底部的縱筋出現(xiàn)屈服，也認(rèn)為構(gòu)件屈服.構(gòu)件c-3-2在試驗(yàn)中處于變形控制狀態(tài)時(shí)，當(dāng)水平變形達(dá)到20 mm時(shí)，構(gòu)件底部出現(xiàn)鼓裂現(xiàn)象，構(gòu)件的表層混凝土被壓酥并且開(kāi)始脫落，左側(cè)面距離底部38 cm處開(kāi)始出現(xiàn)一條斜裂縫，隨著水平變形逐步增大，豎向裂縫慢慢出現(xiàn)于構(gòu)件四周底部，與此同時(shí)，左側(cè)面出現(xiàn)數(shù)對(duì)分布較為對(duì)稱的斜裂縫.當(dāng)水平變形達(dá)到49 mm時(shí)，左側(cè)面距離底部高度為12.8 cm以下的表層混凝土開(kāi)始出現(xiàn)大面積剝落，箍筋和縱筋外露，構(gòu)件裂縫繼續(xù)拓展.當(dāng)水平變形達(dá)到62 mm時(shí)，構(gòu)件背面底部的混凝土已經(jīng)全部被壓酥且剝落，在試驗(yàn)繼續(xù)循環(huán)加荷時(shí)可以觀測(cè)到構(gòu)件的縱筋在受壓時(shí)出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，且發(fā)現(xiàn)混凝土核心區(qū)也開(kāi)始被壓壞.當(dāng)水平變形達(dá)到85 mm時(shí)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)正面底部的混凝土已經(jīng)大面積剝落，混凝土核心區(qū)基本壓壞，箍筋崩裂，此時(shí)構(gòu)件c-3-2的承載力大幅度下降.當(dāng)試驗(yàn)加荷至第二個(gè)循環(huán)時(shí)，構(gòu)件的承載力就已經(jīng)下降至約55%，此時(shí)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，停止加荷，至此整個(gè)試驗(yàn)完成，試驗(yàn)結(jié)果表明構(gòu)件呈現(xiàn)彎曲型破壞.

由c-3組構(gòu)件的破壞形態(tài)可以看出，構(gòu)件c-3-1和構(gòu)件c-3-2在彈性階段最大承載力、屈服時(shí)的承載力以及破壞時(shí)的承載力大小較為接近，另外構(gòu)件裂縫開(kāi)裂模式也較為類似，且兩個(gè)構(gòu)件均為彎曲型破壞，因此認(rèn)為CRB550鋼筋作箍筋的柱構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的柱構(gòu)件兩者的破壞形態(tài)相似.

2.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

綜上分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土柱構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土柱構(gòu)件在承載力、變形能力以及破壞形態(tài)上基本相近.對(duì)于其他性能指標(biāo)，如鋼筋應(yīng)變、破壞形態(tài)、剛度退化和能量耗散等性能指標(biāo)情況可查閱與本試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)[10-11].由文獻(xiàn)可知，CRB550鋼筋作箍筋的構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的構(gòu)件在鋼筋應(yīng)變和能量耗散等性能指標(biāo)方面也相當(dāng)接近.

3　結(jié)　論

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，CRB550鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土構(gòu)件與HPB235鋼筋作箍筋的鋼筋混凝土構(gòu)件具有相近的承載力、變形性能以及破壞形態(tài).另外，通過(guò)查閱與本試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)可知，CRB550鋼筋作箍筋的構(gòu)件和HPB235鋼筋作箍筋的構(gòu)件在鋼筋應(yīng)變和能量耗散等性能指標(biāo)方面也相當(dāng)接近.由此驗(yàn)證了在縱筋配置相同的情況下，可以采用比《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中限值更小直徑的CRB550鋼筋(如6.25、7.75、9.25 mm)取代工程實(shí)際中較為常用的直徑為8、10、12 mm的HPB235鋼筋作鋼筋混凝土構(gòu)件的箍筋，為在柱構(gòu)件中配置較小直徑的高強(qiáng)鋼筋替代較大直徑的常用鋼筋作箍筋這項(xiàng)新技術(shù)提供了試驗(yàn)層面上的驗(yàn)證.如果此項(xiàng)新技術(shù)被廣泛推廣，則大大節(jié)約了建筑物中鋼材的使用量，并在很大程度上減輕了對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染.此技術(shù)對(duì)提倡“可持續(xù)發(fā)展”和“綠色環(huán)?！钡漠?dāng)今社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Application and popularization of CRB550 high-strength steel bar in column members

WAN Hai-taoa, YANG Linb, WANG Yi-fana, ZHANG Han-wena

(a. School of Civil Engineering and Architecture, b. School of Educational Science, Henan University, Kaifeng 475001, China)

In order to achieve the goal of saving steel through replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter, the various performance indexes of reinforced concrete (RC)column members with the stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar were compared and analyzed. The low cyclic loading tests for 22 different reinforced concrete column members with different types were designed. The results show that such performance indexes of RC column members with stirrup of both CRB550 steel bar and HPB235 steel bar as the load-displacement skeleton curve, strain of steel bar, failure morphology, stiffness degradation and energy dissipation are close to the same. It proves that the new technology, namely replacing the common steel bar with larger diameter by the high-strength steel bar with smaller diameter in the configuration of column members, has certain feasibility.

CRB550 steel bar; reinforced concrete (RC) column member; low cyclic loading test; load-displacement skeleton curve; strain; failure morphology; stiffness degradation; energy dissipation

2015-12-01.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408195).

萬(wàn)海濤(1979-)，男，江西臨川人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.18

TU 375

A

1000-1646(2016)04-0461-06

*本文已于2016-05-12 14∶01在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.028.html