钢筋混凝土结构是工程建设中应用十分广泛的结构形式。在相同的钢筋混凝土结构体系中, 钢筋和混凝土的强度等级越高, 结构的构件尺寸、体积就相对越小, 从而材料用量也越少, 为此很多发达国家将高强钢筋和高强混凝土的应用研究作为基础战略科研^[1]。

　　 目前欧洲及大部分发达国家的钢筋标准中所列的钢筋最高强度等级为500MPa, 美国在其钢筋标准中规定的钢筋最高强度等级为550MPa, 俄罗斯等少数国家规定的钢筋最高强度等级达到600MPa^[2]。然而很多国家实际工程应用中钢筋强度达到600MPa以上, 美国800MPa级钢筋在实际工程中应用的研究正在进行中^[3]。我国已将500MPa级钢筋作为现浇混凝土结构的主导钢筋并列入《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[4] (简称混凝土规范) 中, 但600MPa级钢筋的研究起步较晚, 并且缺乏相应的试验资料而尚未列入规范中。为尽快使我国在高强钢筋应用领域与国际接轨, 对600MPa级钢筋混凝土构件的受力性能以及设计强度的取值进行研究十分必要。

　　 试验采用HRB600E钢筋, 通过5根受弯梁的试验, 分析HRB600E钢筋混凝土梁的抗弯性能, 提出HRB600E钢筋抗拉强度的设计取值、抗弯承载力以及挠度和裂缝宽度计算的建议。研究成果为相应新规范的编制和HRB600E钢筋在实际工程中的应用提供试验依据。

　　 试验共设计了5根钢筋混凝土矩形梁, 其中4根配置HRB600E钢筋、1根配置HRB400E钢筋。试验梁的主要变换参数为:受拉钢筋直径、箍筋间距、混凝土强度等, 试验梁的基本参数见图1和表1。

　　 试验梁两端简支, 用分配梁分荷, 采用10 000k N微机控制电液伺服压力试验机以三分点集中加载方式进行加载。梁底跨中布置一个应变式位移计测量挠度, 用电阻应变仪测量钢筋应变, 借助裂缝观测仪测量裂缝宽度。分级加载, 每级荷载持荷10min, 待荷载及裂缝稳定后进行数据采集或测量, 加载装置见图2。根据《混凝土结构试验方法标准》 (GB/T 50152—2012) ^[5], 试验梁在加载过程中出现下列标志之一时, 即可判断该试验梁承载力已达到极限状态:受拉主筋屈服, 受拉应变达到0.01;受拉主筋拉断;受拉主筋处最大垂直裂缝宽度达到1.5mm;挠度达到跨度的1/50。

　　 图3为试验梁的弯矩-挠度曲线, 图4为试验梁的裂缝分布情况。

　　 荷载加至 (0.2~0.3) P_u (P_u为实测破坏荷载) 时, 试验梁跨中附近底面及两侧面出现一条或多条肉眼可见的细裂缝。通常梁底面与侧面的裂缝相贯通, 侧面裂缝高度可达梁高的1/4~1/3左右。随着荷载逐步增大, 裂缝逐渐增多, 底部裂缝向中心开展, 侧面裂缝向受压区延伸, 裂缝宽度进一步增大, 斜裂缝开始出现。当荷载达到0.5 P_u时, 试验梁不再产生新的主裂缝, 裂缝间距趋于稳定, 裂缝宽度继续随荷载加大, 局部出现次生裂缝。当荷载接近P_u时, 受拉钢筋进入屈服阶段, 裂缝宽度迅速增大, 侧裂缝向受压区延伸加快, 挠度也快速增大。当荷载达到P_u时, 挠度迅速增大, 其中一条主裂缝快速向受压区延伸, 受压区混凝土几乎同时被压碎。整个过程表明, 配置HRB600E钢筋的混凝土受弯梁裂缝开展过程及破坏情况与普通钢筋混凝土梁相似。

　　 试验观察及结果分析表明, 采用HRB600E钢筋的混凝土受弯梁的受力性能和HRB400E钢筋混凝土受弯梁的受力性能相同。5根试验梁均为适筋破坏, 受拉钢筋屈服, 破坏前有明显预兆, 截面基本符合平截面假定 (图5) 。

　　 表2分别列出了实测混凝土强度、实测钢筋屈服强度以及实测破坏弯矩M_u。取实测钢筋屈服强度, 按混凝土规范公式计算出试验梁的受弯承载极限弯矩M_u1;取HRB600E钢筋的抗拉屈服强度设计值f_y=500MPa (材料分项系数γ_s=1.2) , 按混凝土规范公式计算出试验梁的受弯承载极限弯矩M_u2。

　　 经计算, 极限弯矩M_u1与试验实测破坏弯矩M_u符合良好, M_u/M_u1的平均值μ=1.077, 变异系数δ=0.029, 表明我国混凝土规范规定的受弯构件正截面承载力计算公式适用于HRB600E钢筋。当HRB600E钢筋的抗拉屈服强度设计值f_y=500MPa时, M_u/M_u2的平均值μ=1.309, 变异系数δ=0.048, 此时M_u/M_u2的平均值与HRB400E钢筋的M_u/M_u2的平均值相近, 表明HRB600E钢筋的抗拉强度设计值取f_y=500N/mm²时具有足够的安全储备。LW3与LW5分别为HRB600E钢筋与HRB400E钢筋等强梁, 试验结果与理论计算较为一致, 进一步说明HRB600E钢筋能够很好地替代低强度钢筋, 在保证强度的情况下可以大大减少用钢量。

　　 一般混凝土受弯构件 (非预应力) 正常使用极限状态的变形与裂缝验算应采用荷载的准永久组合并考虑荷载长期作用的影响, 但在试验中无法考虑荷载长期作用的影响, 所以可通过设计荷载效应推算正常使用下的荷载效应。按照最不利情况考虑, 正常使用荷载效应准永久组合值可近似取设计荷载效应的70%, 即正常使用下构件跨中弯矩值M_q=0.7 M_u2^[6]。各试验梁跨中短期挠度实测值与计算值对比结果列于表3。

　　 由表3可见, HRB600E钢筋各试验梁 (LW1~LW4) 在正常使用状态下实测挠度值均比计算值偏大, f_s/f_q的平均值μ=1.213, 变异系数δ=0.036, 同时HRB400E钢筋试验梁 (LW5) 的实测挠度值也比计算值偏大。过去十多年国内科研单位进行了大量的400MPa级和500MPa级钢筋混凝土梁受弯试验, 其中文献[6-11]按正常使用荷载效应标准组合值计算的挠度值 (f_k) 与试验值比较也得出相似结果。挠度试验值与计算值比值的离散性并不大, 因此钢筋混凝土受弯构件短期挠度可以考虑在混凝土规范规定的挠度计算公式基础上乘以一个适当的扩大系数 (1.25) 进行修正。图6列出了文献[6-11]中的40个样本数据的挠度对比以及修正后的挠度对比, 图7为本次试验挠度数据修正前后对比。由图可见, 修正后的挠度值与试验值符合较好。

　　 对试验获得的梁侧面受拉钢筋重心处的裂缝间距和宽度数据进行分析, 正常使用荷载效应M_q近似取设计荷载效应的70%, 按混凝土规范公式计算出平均裂缝间距和考虑荷载长期作用影响的最大裂缝宽度。图8和图9分别为平均裂缝间距和最大裂缝宽度的试验值和计算值比较。

　　 LW1~LW4平均裂缝间距计算值l_cr与试验实测平均裂缝间距l⁰_cr符合良好, l⁰_cr/l_cr的平均值μ=0.962, 变异系数δ=0.056, 表明我国混凝土规范规定的平均裂缝间距计算公式适用于HRB600E钢筋混凝土受弯构件。最大裂缝宽度计算值w_max比由试验实测最大裂缝宽度推算出的长期最大裂缝宽度w⁰_max偏大, w⁰_max/w_max的平均值μ=0.746, 变异系数δ=0.068, 表明混凝土规范规定的受弯构件最大裂缝宽度计算公式具有足够的安全储备。其原因可能是钢筋在高应力下次裂缝的开展抑制了主裂缝的宽度^[12], 考虑到混凝土规范公式的延续性, 不对原公式进行修正。

　　 (1) 配置600MPa级钢筋的混凝土梁沿截面高度应力分布基本符合平截面假定;受弯破坏形态与普通钢筋混凝土梁相同, 受弯承载力仍可按混凝土规范规定的正截面受弯承载力计算公式计算;HRB600E钢筋抗拉强度设计值取500MPa时, 有足够的安全储备。

　　 (2) 正常使用状态下, 配置600MPa级钢筋的混凝土梁的挠度按混凝土规范公式计算的计算值比试验值偏小, 由于离散性并不大, 可考虑在现有混凝土规范公式的基础上乘以一个扩大系数 (1.25) 进行修正。

　　 (3) 正常使用状态下, 配置600MPa级钢筋的混凝土梁裂缝开展过程与普通钢筋混凝土梁相似, 平均裂缝间距试验值与按混凝土规范公式计算的平均裂缝间距符合较好, 按混凝土规范公式计算的最大裂缝宽度比试验值偏大, 仍可采用混凝土规范公式计算。