500MPa級鋼筋溷凝土構(gòu)件的受力性能及工程應(yīng)用a

一.概述●混凝土結(jié)構(gòu)是我國工程建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，熱軋帶肋鋼筋是混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的受力和構(gòu)造鋼筋，據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年我國熱軋鋼筋的用量已接近1億噸。但我國混凝土結(jié)構(gòu)目前所應(yīng)用的鋼筋和混凝土強(qiáng)度比西方發(fā)達(dá)國家普遍要低1-2個等級，消耗了過多的資源和能源。為盡快改變這種不合理狀況，新修訂的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010列入了500MPa級鋼筋?！?00MPa級鋼筋是我國冶金行業(yè)新研制開發(fā)的用于非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼筋。分為添加釩、鈦等低合金元素軋制的HRB500級和采用控溫技術(shù)(不加或少加低合金元素)軋制的細(xì)晶粒HRBF500級。其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為500MPa，強(qiáng)屈比1.2-1.3，斷口伸長率d10在15%以上，均勻伸長率dgt大于10%，達(dá)到了歐洲規(guī)范MC-90規(guī)定的S級(優(yōu)級)延性鋼筋指標(biāo)的要求，也達(dá)到了歐洲規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)定》ENV-8中對用于抗震結(jié)構(gòu)“H”類高延性鋼筋要求均勻伸長率的要求?！耖L期以來，我國熱軋帶肋鋼筋的品種主要是添加釩、鈦等合金元素的普通低合金鋼，由于鋼筋用量巨大，近年來已造成釩、鈦等低合金資源資緊張，價格眀顯上漲，對熱軋鋼筋的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來不利影響。●細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋是我國冶金行業(yè)研究開發(fā)的新型熱軋鋼筋，這種鋼筋生產(chǎn)過程中不需要添加或只需添加很少的釩、鈦等合金元素，而是在熱軋過程中，通過控軋和控冷工藝軋制成的帶肋鋼筋，其金相組織主要是鐵素體加珠光體，晶粒度不粗于9級。細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的外形與普通低合金熱軋帶肋鋼筋相同，其強(qiáng)度和延性完全滿足混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋性能的要求?！裼眉?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋代替我國目前大量使用的普通低合金熱軋鋼筋可節(jié)約國家寶貴的釩、鈦等合金元素資源，降低碳當(dāng)量和鋼筋的價格，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。500MPa級鋼筋外形及拉伸試驗

d=25mm500MPa鋼筋

d=8mm500MPa鋼筋二.500MPa級鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)的試驗研究●為了盡快使500MPa級鋼筋在工程中得到應(yīng)用，鄭州大學(xué)、首鋼總公司、中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所和河南省第一建筑工程有限責(zé)任公司從2002年起進(jìn)行了較為系統(tǒng)的500MPa級鋼筋工程應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容有500級鋼筋混凝土受彎、受剪、受壓、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的受力性能的試驗研究，500MPa級鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗研究，500級鋼筋焊接和機(jī)械連接性能的試驗研究等，提出了500MPa級鋼筋在工程設(shè)計、施工中的主要技術(shù)參數(shù)，為規(guī)范修訂提供依據(jù)。1.500MPa級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的受力性能●簡支梁和連續(xù)梁的受彎試驗表明，500MPa級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的受力性能和普通熱軋帶肋鋼筋混凝土構(gòu)件基本相同，受彎承載力可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010中規(guī)定的受彎構(gòu)件正截面承載力計算公式計算；取抗拉設(shè)計強(qiáng)度fy=435MPa，受彎承載力有足夠的安全儲備?！袷軓潣?gòu)件的撓度和裂縫寬度仍可按規(guī)范規(guī)定的公式計算（裂縫計算公式適當(dāng)修改），在常用配筋率情況下，采用500MPa級鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的撓度和裂縫寬度可滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的撓度限值?！?00MPa級鋼筋有很好的延性，受彎構(gòu)件塑性鉸有足夠的轉(zhuǎn)動能力，在超靜定結(jié)構(gòu)中可形成破壞機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)完全的塑性內(nèi)力重分布，可用于考慮塑性內(nèi)力重分布設(shè)計的結(jié)構(gòu)。2.500MPa級鋼筋混凝土受剪構(gòu)件的受力性能●通過7根不同剪跨比和不同配箍率受剪構(gòu)件的試驗表明，用500MPa級鋼筋作抗剪箍筋的混凝土構(gòu)件的受剪性能和普通鋼筋基本相同，受剪承載力仍可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010中規(guī)定的斜截面承載力計算公式計算，為控制斜裂縫的寬度，建議在受剪承載力計算中取箍筋屈服強(qiáng)度設(shè)計值fyv=360MPa。注：新修訂規(guī)范的抗剪公式進(jìn)行了修改。3500MPa級鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的受力性能●對30根配有500MPa級縱向受力鋼筋的軸心受壓短柱(混凝土強(qiáng)度等級為C30~C80，受壓鋼筋配筋率(0.2%~5.2%)的試驗結(jié)果表明，在配有縱筋的受壓構(gòu)件中，混凝土的受壓的峰值應(yīng)變有所提高；當(dāng)軸心壓力增大到破壞荷載的90%左右時，柱側(cè)面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，此時混凝土的壓應(yīng)變已達(dá)到0.0025，縱向受壓鋼筋的應(yīng)力已達(dá)到500MPa；臨近破壞時，混凝土出現(xiàn)多條縱向裂縫，縱向受壓鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，說明在軸心受壓短柱中鋼筋和混凝土的強(qiáng)度均能得到較好發(fā)揮?！褚虼嗽谂溆?00MPa級鋼筋的混凝土受壓構(gòu)件中，鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值可按我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，取熱軋鋼筋的材料性能分項系數(shù)1.15，則可取500MPa級鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為f

y’=500/1.15≌435MPa，并有足夠的安全儲備。4.500MPa級鋼筋作為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中非預(yù)應(yīng)力筋的受力性能●通過11根采用500MPa級鋼筋作為非預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土梁（4根先張法、3根后張法、3根疲勞試驗、1根12m先張法箱梁）的受力性能試驗，表明500MPa級鋼筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的非預(yù)應(yīng)力筋時其強(qiáng)度能充分發(fā)揮：(1)試驗梁預(yù)應(yīng)力度較好，在自重作用下的反拱約10mm；正抗裂性能及豎向撓度均能滿足要求；(2)裂縫發(fā)展均勻、裂縫寬度一直很小，臨近破壞時（90%破壞荷載）最大裂縫寬度僅為0.2mm；由于折線形預(yù)應(yīng)力筋的作用，在試驗梁的彎剪段未出現(xiàn)斜裂縫；(3)取fy=500/1.15=435MPa，試驗梁有足夠的承載力安全儲備，在達(dá)到設(shè)計破壞荷載的130%時才發(fā)生破壞；破壞時跨中撓度接近l/50，表現(xiàn)出較好的延性；破壞受壓區(qū)混凝土被壓碎，鋼絞線和非預(yù)應(yīng)力鋼筋均未發(fā)生斷裂。5.500MPa級鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能●6組72個粘結(jié)錨固試件的拔出試驗結(jié)果表明500MPa級帶肋鋼筋與混凝土的錨固性能和普通帶肋（月牙紋）鋼筋相同，其設(shè)計錨固長度仍可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的公式計算。試驗結(jié)果公式：規(guī)范建議公式：●計算的錨固長度的比值均在1.10到1.14左右，十分穩(wěn)定，且500MPa級鋼筋與400MPa級鋼筋的比值基本一樣，說明500級鋼筋的設(shè)計錨固長度仍可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010規(guī)定的公式計算。表1錨固長度計算比較鋼筋品種

取值（MPa）混凝土強(qiáng)度等級（MPa）

500MPa級鋼筋435C201.1055.3649.921.109C301.4342.5938.141.117C401.7135.6131.721.123C501.8932.2228.591.127≥C602.0429.8526.411.130400MPa級鋼筋360C201.1045.8241.121.114C301.4335.2431.381.123C401.7129.4726.061.131C501.8926.6723.471.136≥C602.0424.7121.671.140●現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2002的設(shè)計錨固長度計算公式規(guī)定當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級>C40時，仍按C40級混凝土計算。試驗結(jié)果表明，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C40~C80時，規(guī)范的設(shè)計錨固長度計算公式仍能較好適用，考慮到近年來高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用日益增多，建議錨固長度計算公式中混凝土強(qiáng)度等級的上限可提高到C60。6.500MPa級鋼筋焊接和機(jī)械連接性能●進(jìn)行了500MPa級鋼筋的閃光對焊、電弧焊、氣壓焊和剝肋滾壓直螺紋連接、擠肋滾壓直螺紋連接、鐓粗直螺紋連接、錐螺紋連接、冷擠壓連接等多種連接接頭的受力性能試驗。試驗結(jié)果表明，除錐螺紋連接外，500MPa級鋼筋的閃光對焊、電弧焊、氣壓焊和剝肋滾壓直螺紋連接、擠肋滾壓直螺紋連接、鐓粗直螺紋連接、冷擠壓連接的受力性能良好，均能達(dá)到國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可在工程實踐中應(yīng)用。7.500MPa級鋼筋試點工程三.《規(guī)范》列入500級鋼筋后教學(xué)中應(yīng)注意的問題1.熱軋鋼筋的品種及牌號

表2普通鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值牌號符號公稱直徑d（mm）屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk（N/mm2）極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fstk（N/mm2）HPB3006～22300420HRB335HRBF3356～50335455HRB400HRBF400RRB4006～50400540HRB500HRBF5006～50500630F

F

R

F

2.鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計值和伸長率2.熱軋鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值表3普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計值（N/mm2）牌號HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435（抗剪計算360）435抗拉強(qiáng)度設(shè)計值抗壓強(qiáng)度設(shè)計值表4普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋在最大力下的總伸長率限值鋼筋品種普通鋼筋預(yù)應(yīng)力筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500δgt（%）10.07.53.5注：有較高抗震性能要求的普通熱軋帶肋鋼筋HRB400E、HRBF400E、HRB500E、HRBF500E等，δgt不小于9.0%。3.鋼筋最大力下的總伸率（均勻伸長率）

●鋼筋斷后伸長率只能反映鋼筋斷口頸縮區(qū)域殘余變形的大小；不同標(biāo)距長度l0得到的結(jié)果不一致；忽略了鋼筋的彈性變形，不能反映鋼筋受力時的總體變形能力；容易產(chǎn)生人為誤差?！褡畲罅ο碌目偵扉L率（均勻伸長率）dgt

（Agt）4.最小配筋率表5縱向受力鋼筋的最小配筋百分率ρmin(%)受力類型最小配筋百分率受壓構(gòu)件全部縱向鋼筋強(qiáng)度級別500N/mm20.50強(qiáng)度級別400N/mm20.55強(qiáng)度級別300N/mm2、335N/mm20.60一側(cè)縱向鋼筋0.20梁類受彎構(gòu)件、偏心受拉、軸心受拉構(gòu)件一側(cè)的受拉鋼筋

中的較大值0.20和45注：1.受壓構(gòu)件全部縱向鋼筋最小配筋百分率，當(dāng)采用C60及以上強(qiáng)度等級的混凝土?xí)r，應(yīng)按表中規(guī)定增加0.10；

2.板類受彎構(gòu)件的受拉鋼筋，當(dāng)采用強(qiáng)度級別400N/mm2、500N/mm2

的鋼筋時，其最小配筋百分率應(yīng)允許采用0.15和45ft/fy

中的較大值

5.其他方面●裂縫寬度計算（修改鋼筋混凝土裂縫寬度計算公式，鋼筋應(yīng)力按荷載準(zhǔn)永久組合彎矩計算）；●錨固長度基本錨固長度錨固長度原規(guī)范規(guī)定：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級高于C40時，按C40取值；修訂后改為：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級高于