304不銹鋼鋼筋混凝土梁受彎性能研究

張 龍 錢 鵬 張俊杰 楊佳進(jìn) 施佳楠 宋曉飛

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

1 概述

國外不銹鋼鋼筋的出現(xiàn)時(shí)間較早，因此近幾十年來，國外對(duì)不銹鋼鋼筋和不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了大量的抗腐蝕性能方面試驗(yàn)研究，鮮有對(duì)于不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能方面的研究。

國內(nèi)不銹鋼鋼筋出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚，因此對(duì)不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件的研究較少，為了解國產(chǎn)不銹鋼鋼筋性能，進(jìn)一步明晰了不銹鋼鋼筋混凝土梁受彎性能[1]，因此需要對(duì)由國內(nèi)生產(chǎn)的不銹鋼鋼筋構(gòu)成的混凝土構(gòu)件抗彎性能進(jìn)行研究。

環(huán)境侵蝕嚴(yán)重地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕已成為土木工程結(jié)構(gòu)安全的重大隱患。特別是在水工結(jié)構(gòu)、港灣結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁、公路橋梁等及大量摻入海砂的混凝土結(jié)構(gòu)[1]，通過使用不銹鋼鋼筋替代普通混凝土低碳鋼，可以有效隔絕鋼筋和空氣中的氯離子發(fā)生反應(yīng)，從源頭上解決了鋼筋的銹蝕問題，減小日后的維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用，提髙結(jié)構(gòu)的耐久性[2]。

2 材料基本性能

本次實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼螺紋鋼作為混凝土梁受力鋼筋，不銹鋼鋼筋混凝土梁采用的受力筋為江蘇宇皓制造的304不銹鋼螺紋鋼筋，直徑為14 mm。水泥采用海螺牌42.5水泥，配置混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。

不銹鋼鋼筋基本力學(xué)性能和混凝土28 d強(qiáng)度見表1，表2。

表1 不銹鋼力學(xué)性能

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

不銹鋼的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度略低于同直徑的普通HRB400鋼筋，斷后延伸率達(dá)到40%，表現(xiàn)出較好的延性。完成基本材料性能測(cè)定后，準(zhǔn)備進(jìn)行混凝土試件設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)澆筑的試件截面尺寸為150 mm×200 mm，長度2 000 mm，構(gòu)件的保護(hù)層厚度為20 mm，確定試件尺寸后準(zhǔn)備試件制作。

為保證梁澆筑成型質(zhì)量，本次實(shí)驗(yàn)采用鋁合金模板制作混凝土梁。澆筑完畢后進(jìn)行自然條件下的養(yǎng)護(hù)，每天上午和下午各灑水一次進(jìn)行覆水養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)的加載方式為在梁頂面的兩個(gè)三等分點(diǎn)加集中荷載，可以由液壓千斤頂通過分配梁加載的方式實(shí)現(xiàn)，梁加載示意圖如圖1所示。

為測(cè)定梁構(gòu)件的撓度變化，分別在梁頂面和底面中軸線位置安裝位移計(jì)，為測(cè)定混凝土應(yīng)變，在梁中部一側(cè)粘貼BX-100AA應(yīng)變片，具體如圖2所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)加載過程分析(見圖3)，無論是普通鋼筋混凝土還是不銹鋼鋼筋混凝土梁，其破壞過程比較相似，根據(jù)裂縫的發(fā)生、發(fā)展情況，可以分為三個(gè)階段：

1)混凝土開裂前的未裂階段：初始加載，荷載較小，混凝土截面未出現(xiàn)裂縫，當(dāng)荷載的逐漸增加，撓度呈直線形增長。當(dāng)構(gòu)件臨近開裂荷載時(shí)，荷載—撓度曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，撓度有增長加快的趨勢(shì)，這說明試件處于即將開裂狀態(tài)[3]。

2)混凝土開裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段:當(dāng)加荷至開裂荷載8.75 kN左右時(shí)，此時(shí)，鋼筋應(yīng)變讀數(shù)增長較快，通過裂縫觀察儀發(fā)現(xiàn)在梁跨中附近出現(xiàn)第一條豎向裂縫，裂縫寬度通過觀測(cè)儀測(cè)得小于0.05 mm。當(dāng)荷載加載至25 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)新裂縫，同時(shí)底部出現(xiàn)貫穿裂縫。當(dāng)加載到50 kN時(shí)，鋼筋屈服前，此時(shí)裂縫寬度0.5 mm，支座附近出現(xiàn)斜裂縫，裂縫長度和寬度延伸出現(xiàn)明顯加快趨勢(shì)。鋼筋應(yīng)力迅速增加，試件剛度有明顯下降趨勢(shì)，試件從彈性階段轉(zhuǎn)變進(jìn)入塑性階段。

3)極限階段或破壞階段：這一階段基本沒有產(chǎn)生新裂縫，原先產(chǎn)生的裂縫寬度極速增大，加載支座處混凝土壓應(yīng)力達(dá)到極限出現(xiàn)壓碎，加載點(diǎn)與支座間斜向裂縫長度和寬度迅速發(fā)展。

當(dāng)普通鋼筋荷載加載到80 kN時(shí)，鋼筋開始屈服，荷載—撓度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，90 kN時(shí)，達(dá)到極限承載力，此時(shí)撓度增長明顯，承載力急劇下降。304不銹鋼鋼筋混凝土梁加載至50 kN時(shí)，鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，60 kN左右，試件達(dá)到極限承載力，由于不銹鋼較好的延性和壓拱效應(yīng)影響，試件一直維持在60 kN左右，直到受壓區(qū)出現(xiàn)混凝土開裂，承載力不斷下降。

通過直徑14 mm的HRB400鋼筋混凝土梁和304不銹鋼混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通鋼筋混凝土梁相比，不銹鋼鋼筋混凝土梁的極限承載力較低于普通鋼筋混凝土，而梁的撓度值卻有較大程度的增加。因此建議不銹鋼鋼筋混凝土梁的裂縫寬度和極限承載力可按現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算，但撓度計(jì)算需要適當(dāng)修改，見圖4。

5 結(jié)語

本文通過不銹鋼螺紋鋼的拉伸試驗(yàn)、不銹鋼鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)，對(duì)不銹鋼混凝土梁的基本力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)304不銹鋼鋼筋強(qiáng)度略低于普通HRB400鋼筋，斷后伸長率達(dá)到40%，彈性模型低于普通鋼筋。

2)和普通鋼筋混凝土對(duì)比，不銹鋼鋼筋混凝土梁在加載過程中裂縫和撓度的發(fā)展基本相似，其開裂彎矩和極限彎矩亦可參照普通鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算。

3)同等條件下，304不銹鋼鋼筋混凝土梁比普通鋼筋混凝土梁具有更高的變形，由于304不銹鋼較好的延伸率，國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范僅適用于鋼筋屈服前，屈服后得到的撓度計(jì)算值低于實(shí)驗(yàn)值，建議采用分階段進(jìn)行撓度計(jì)算。