抗腐蝕鋼筋受彎構(gòu)件裂縫寬度試驗研究

李楊，方治弘，夏海洋

（重慶大學土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

2009年頒布的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興計劃》建議加速淘汰強度335MPa熱軋帶肋鋼筋及在地震多發(fā)地區(qū)結(jié)構(gòu)采用強度400MPa及以上強度鋼筋[1]；2015年修訂版的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策》提出了“大力推廣應(yīng)用高強度、耐腐蝕、耐高溫、長壽命等高性能鋼材，深入推廣400MPa鋼筋，試點示范使用500MPa及以上的高強抗震鋼筋、耐候耐火耐腐蝕鋼筋等”[2]；我國南海在進行人工島礁建設(shè)，這促進了抗腐蝕鋼筋的應(yīng)用；我國每年因鋼筋腐蝕而導致的經(jīng)濟損失超過千億，因此使用抗腐蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有重要的意義[3]。由于目前國產(chǎn)的抗腐蝕鋼筋強度較高，但彈性模量較低，配置該類鋼筋構(gòu)件的受力性能，特別是受彎構(gòu)件裂縫寬度究竟如何至關(guān)重要。我國規(guī)范GB50010-2015使用的裂縫寬度計算公式是以配置HRB335MPa級鋼筋梁、以及一部分采用HPB235鋼筋梁的裂縫寬度試驗數(shù)據(jù)作為依據(jù)建立的。盡管在2010版規(guī)范修訂時，進行了一批配置HRB500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度試驗，并根據(jù)與國外規(guī)范裂縫寬度計算公式對比分析的基礎(chǔ)上對我國規(guī)范的裂縫寬度計算公式進行了修正，但公式是否適應(yīng)配置抗腐蝕500MPa級鋼筋梁的裂縫寬度計算有待驗證；此外，其他國內(nèi)的規(guī)程以及國外主要規(guī)范的裂縫寬度計算公式是否滿足500MPa級抗腐蝕鋼筋梁裂縫寬度亦值得探索。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

本課題組采用的鋼筋類型為國產(chǎn)抗腐蝕鋼筋，鋼筋的名義屈服強度與我國HRB500MPa級鋼筋的屈服強度相近，但該鋼筋的性能與HRB鋼筋有明顯的不同[4]：

（1）與普通HRB系列鋼筋相比，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺；

（2）鋼筋沒有明顯的屈服點，非線性特征比HRB鋼筋明顯，鋼筋的比例極限約為名義屈服強度的36%～60%之間；

（3）鋼筋的彈性模量明顯比HRB鋼筋的低，約為110～150kPa。

本次試驗梁的試件信息如表1所示。

表1 試驗試件基本參數(shù)

1.2 加載與測量方案

在正式加載前進行預加載。正式加載時，每加載一次在電腦上采集一次數(shù)據(jù)。正式加載時以0.6倍開裂荷載為界，0.6倍開裂荷載前，以每次0.2倍開裂荷載的速度進行加載，達到0.6倍開裂荷載后，以每次0.1倍開裂荷載的速度進行加載，直到試件開裂并找到開裂荷載。

當荷載達到正常使用荷載時，持荷10min后量取裂縫間距并讀取裂縫寬度。為了比較完整地了解梁整個破壞過程的裂縫發(fā)展情況，即使在達到正常使用荷載之前，也每隔三級加載（即每隔0.15倍的極限荷載）測量一次裂縫寬度。試件的加載及測點布置如圖1所示。

圖1 試件的加載示意圖及測點布置圖

2 試驗結(jié)果

2.1 試件極限荷載及破壞形態(tài)

加載至0.4至0.6倍極限荷載時，梁的裂縫基本出齊。加載至1.0至1.2倍極限荷載時，梁的撓度已經(jīng)明顯增大，構(gòu)件接近破壞。隨著荷載的增加，梁的撓度和梁純彎段內(nèi)的主裂縫寬度急劇增加，受壓區(qū)的混凝土發(fā)生開裂脫落，梁隨即完全破壞。

各試件的開裂荷載、極限承載力及破壞荷載見表2。

表2 試件主要試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 裂縫計算模式

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》裂縫寬度計算考慮了構(gòu)件的受力方式、鋼筋等效應(yīng)力、混凝土邊緣厚度、縱向受拉鋼筋的直徑和配筋率等因素。通過試驗研究得出的規(guī)范裂縫寬度計算技術(shù)路線大體如下：先由試驗梁在正常使用荷載狀態(tài)下的裂縫間距及裂縫寬度試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計確定短期荷載作用下的平均裂縫間距，再考慮其他因素得出平均裂縫寬度；經(jīng)統(tǒng)計給出具有95%保證率下的裂縫寬度作為短期荷載作用下的最大裂縫寬度[4]。

3.2 試驗數(shù)據(jù)對比與分析

3.2.1 平均裂縫間距

本次試驗梁實測裂縫間距與規(guī)范公式計算值的比較見表3，所列的裂縫間距是裂縫出齊后的間距。表中n表示除去次生裂縫后的裂縫條數(shù)，即主裂縫條數(shù)。為平均裂縫間距實測值，為按規(guī)范GB50010-2010計算的平均裂縫間距。

表3 正常使用加載下試驗梁平均裂縫間距比較

由表3的變異系數(shù)為0.249可知：四根試驗梁實測值離散性較大，與規(guī)范公式計算值吻合度不高。這與本次試驗數(shù)據(jù)太少有關(guān)，建議增多該類型鋼筋梁的試驗以確定裂縫間距的分布規(guī)律。

3.2.2 裂縫寬度計算值與實測值的比較

圖2裂縫寬度計算值與實測值的比較

（2）對受彎構(gòu)件，規(guī)范給出的短期裂縫寬度擴大系數(shù)τs為1.66。根據(jù)統(tǒng)計學正態(tài)分布函數(shù)，當保證率為95%時，=+1.645σ。本試驗中L-4、L-10和L-11的分別為0.249、0.182和0.217，σ為0.061、0.052和0.073。故可得出三根試驗梁的擴大系數(shù)τs為1.406、1.472和1.552?？梢?，試驗梁的τs與規(guī)范相差較大，應(yīng)該加以修正。

3.2.3 采用其他規(guī)范計算結(jié)果對比

現(xiàn)在國內(nèi)外使用的規(guī)范、規(guī)程的裂縫計算公式對配置500MPa抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度的計算公式修改具有指導意義，因此將試驗梁數(shù)據(jù)帶入規(guī)范、規(guī)程公式進行計算和對比，得到圖3。

圖3 規(guī)范計算裂縫寬度與實測寬度對比圖

考慮到各規(guī)范、規(guī)程的裂縫計算公式考慮因素不同可能會對裂縫寬度的計算準確性造成影響，因此綜合各個規(guī)范裂縫計算公式相關(guān)因素進行統(tǒng)計列表，見表4，從變化的影響裂縫開展的因素中找出可修正的相關(guān)因素前的系數(shù)。參考的規(guī)范有：規(guī)范GB 50010-2010[5]，規(guī)范SL191—2008[6]，規(guī)范TB 10092-2017[7]，規(guī)范JTG-2012[8]，規(guī)范EN1992-1-1[9]，規(guī)范ACI318-14[10]。

表4 國內(nèi)外規(guī)范（規(guī)程）公式考慮因素

由圖3可知，規(guī)范GB 50010-2010的計算裂縫寬度在L10的裂縫寬度上符合較好，但是L11上明顯偏大；歐洲規(guī)范EN1992-1-1短期裂縫的計算公式計算結(jié)果在L10上明顯偏大，但是在L11上符合較好；L-4的波動性較強，但是還是在兩規(guī)范計算寬度的包絡(luò)內(nèi)?？傮w來說，規(guī)范GB 50010-2010以及規(guī)范EN 1992-1-1都較實際結(jié)果偏于保守，但是不經(jīng)濟；表4表明GB 50010-2010與EN 1992-1-1在計算裂縫時考慮了幾乎所有因素變化的影響，因此在計算理論裂縫寬度時具有較高的準確性。所以建議根據(jù)EN 1992-1-1以及GB 50010-2010對適應(yīng)配置500MPa級抗腐蝕鋼筋梁的裂縫寬度計算公式進行修改。

縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ反映了裂縫間受拉混凝土對構(gòu)件受拉力所做的貢獻，ψ越大，反映混凝土參與受拉工作程度越大。肋紋越淺，鋼筋與混凝土的結(jié)合越弱，混凝土參與受拉工作的程度越低。ψ為試驗擬合得出，我國規(guī)范的裂縫研究又是基于低強度的普通鋼筋，考慮到修正ψ的困難，且構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr也可以反映到ψ中，因此可以考慮從αcr中修正。由于抗腐蝕鋼筋的彈性模量大致為普通鋼筋50%，鋼筋表面為了防腐做的比有浮銹的鋼筋更為光滑且生產(chǎn)的肋紋較淺，因此規(guī)范得出的計算值較裂縫寬度實測值大，為充分利用該鋼筋的抗腐蝕特性，且滿足實際運用，可以考慮放寬裂縫寬度限值至一類環(huán)境的允許限值0.3mm。

由于本次試件數(shù)梁少，有效的試驗數(shù)據(jù)不多，主要是發(fā)現(xiàn)了采用強度高、但彈性模量偏低的抗腐蝕鋼筋，在正常使用荷載作用下梁的裂縫寬度將會明顯增大，若后續(xù)研究工作能得到支持，將對影響抗腐蝕鋼筋梁的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸，擬合出適用于配置抗腐蝕鋼筋構(gòu)件的相關(guān)裂縫寬度計算公式，至于配置這類鋼筋梁的裂縫寬度的限值，則需要今后開展相關(guān)的研究工作。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）試驗梁的擴大系數(shù)τs為1.406、1.472和1.552，試驗梁的擴大系數(shù)與規(guī)范的擴大系數(shù)τs=1.66相差較大，應(yīng)該加以修正；

（2）根據(jù)各國規(guī)范公式計算的裂縫寬度與試驗結(jié)果的對比情況，建議參照規(guī)范GB 50010-2015和規(guī)范EN 1992-1-1對配置500MPa級抗腐蝕鋼筋的裂縫公式進行修正；

（3）考慮到抗腐蝕鋼筋的彈性模量偏低，且肋光滑、無浮銹，建議修小構(gòu)件受力特征系數(shù)αcr；

（4）為了充分發(fā)揮鋼筋的抗腐蝕性能，可以放寬配置抗腐蝕鋼筋的構(gòu)件裂縫寬度限值至0.3mm；

（5）建議增多對配置抗腐蝕鋼筋梁的研究，以進一步修正和完善規(guī)范的裂縫計算公式。