500MPa級鋼筋溷凝土構件的受力性能及工程應用a

一.概述●混凝土結構是我國工程建設中應用最廣泛的結構形式之一，熱軋帶肋鋼筋是混凝土結構中應用最廣泛的受力和構造鋼筋，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。但我國混凝土結構目前所應用的鋼筋和混凝土強度比西方發(fā)達國家普遍要低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《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010列入了500MPa級鋼筋。●500MPa級鋼筋是我國冶金行業(yè)新研制開發(fā)的用于非預應力混凝土結構的性能優(yōu)良的高強度鋼筋。分為添加釩、鈦等低合金元素軋制的HRB500級和采用控溫技術(不加或少加低合金元素)軋制的細晶粒HRBF500級。其抗拉強度標準值為500MPa，強屈比1.2-1.3，斷口伸長率d10在15%以上，均勻伸長率dgt大于10%，達到了歐洲規(guī)范MC-90規(guī)定的S級(優(yōu)級)延性鋼筋指標的要求，也達到了歐洲規(guī)范《建筑結構抗震設計規(guī)定》ENV-8中對用于抗震結構“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)和應用帶來不利影響?！窦毦Я彳垘Ю咪摻钍俏覈苯鹦袠I(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，其強度和延性完全滿足混凝土結構對鋼筋性能的要求。●用細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，降低碳當量和鋼筋的價格，社會效益和經(jīng)濟效益均十分顯著。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構的試驗研究●為了盡快使500MPa級鋼筋在工程中得到應用，鄭州大學、首鋼總公司、中國建筑科學研究院結構所和河南省第一建筑工程有限責任公司從2002年起進行了較為系統(tǒng)的500MPa級鋼筋工程應用研究，主要研究內(nèi)容有500級鋼筋混凝土受彎、受剪、受壓、預應力構件的受力性能的試驗研究，500MPa級鋼筋與混凝土粘結錨固性能的試驗研究，500級鋼筋焊接和機械連接性能的試驗研究等，提出了500MPa級鋼筋在工程設計、施工中的主要技術參數(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件的受力性能和普通熱軋帶肋鋼筋混凝土構件基本相同，受彎承載力可按《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010中規(guī)定的受彎構件正截面承載力計算公式計算；取抗拉設計強度fy=435MPa，受彎承載力有足夠的安全儲備?！袷軓潣嫾膿隙群土芽p寬度仍可按規(guī)范規(guī)定的公式計算（裂縫計算公式適當修改），在常用配筋率情況下，采用500MPa級鋼筋混凝土受彎構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，受彎構件塑性鉸有足夠的轉動能力，在超靜定結構中可形成破壞機構，實現(xiàn)完全的塑性內(nèi)力重分布，可用于考慮塑性內(nèi)力重分布設計的結構。2.500MPa級鋼筋混凝土受剪構件的受力性能●通過7根不同剪跨比和不同配箍率受剪構件的試驗表明，用500MPa級鋼筋作抗剪箍筋的混凝土構件的受剪性能和普通鋼筋基本相同，受剪承載力仍可按《混凝土結構設計規(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度設計值fyv=360MPa。注：新修訂規(guī)范的抗剪公式進行了修改。3500MPa級鋼筋混凝土受壓構件的受力性能●對30根配有500MPa級縱向受力鋼筋的軸心受壓短柱(混凝土強度等級為C30~C80，受壓鋼筋配筋率(0.2%~5.2%)的試驗結果表明，在配有縱筋的受壓構件中，混凝土的受壓的峰值應變有所提高；當軸心壓力增大到破壞荷載的90%左右時，柱側面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，此時混凝土的壓應變已達到0.0025，縱向受壓鋼筋的應力已達到500MPa；臨近破壞時，混凝土出現(xiàn)多條縱向裂縫，縱向受壓鋼筋達到屈服強度，說明在軸心受壓短柱中鋼筋和混凝土的強度均能得到較好發(fā)揮。●因此在配有500MPa級鋼筋的混凝土受壓構件中，鋼筋的抗壓強度設計值可按我國混凝土結構設計規(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級鋼筋抗壓強度設計值為f

y’=500/1.15≌435MPa，并有足夠的安全儲備。4.500MPa級鋼筋作為預應力構件中非預應力筋的受力性能●通過11根采用500MPa級鋼筋作為非預應力筋的預應力混凝土梁（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級鋼筋作為預應力混凝土構件的非預應力筋時其強度能充分發(fā)揮：(1)試驗梁預應力度較好，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；由于折線形預應力筋的作用，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，在達到設計破壞荷載的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，鋼絞線和非預應力鋼筋均未發(fā)生斷裂。5.500MPa級鋼筋與混凝土的粘結錨固性能●6組72個粘結錨固試件的拔出試驗結果表明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，其設計錨固長度仍可按現(xiàn)行《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的公式計算。試驗結果公式：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級鋼筋的設計錨固長度仍可按《混凝土結構設計規(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《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002的設計錨固長度計算公式規(guī)定當混凝土強度等級>C40時，仍按C40級混凝土計算。試驗結果表明，當混凝土強度等級為C40~C80時，規(guī)范的設計錨固長度計算公式仍能較好適用，考慮到近年來高強混凝土的應用日益增多，建議錨固長度計算公式中混凝土強度等級的上限可提高到C60。6.500MPa級鋼筋焊接和機械連接性能●進行了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，均能達到國家相關技術標準的要求，可在工程實踐中應用。7.500MPa級鋼筋試點工程三.《規(guī)范》列入500級鋼筋后教學中應注意的問題1.熱軋鋼筋的品種及牌號

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

F

R

F

2.鋼筋的強度設計值和伸長率2.熱軋鋼筋強度設計值表3普通鋼筋強度設計值（N/mm2）牌號HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435（抗剪計算360）435抗拉強度設計值抗壓強度設計值表4普通鋼筋及預應力筋在最大力下的總伸長率限值鋼筋品種普通鋼筋預應力筋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??；不同標距長度l0得到的結果不一致；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件全部縱向鋼筋強度級別500N/mm20.50強度級別400N/mm20.55強度級別300N/mm2、335N/mm20.60一側縱向鋼筋0.20梁類受彎構件、偏心受拉、軸心受拉構件一側的受拉鋼筋

中的較大值0.20和45注：1.受壓構件全部縱向鋼筋最小配筋百分率，當采用C60及以上強度等級的混凝土時，應按表中規(guī)定增加0.10；

2.板類受彎構件的受拉鋼筋，當采用強度級別400N/mm2、500N/mm2

的鋼筋時，其最小配筋百分率應允許采用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，鋼筋應力按荷載準永久組合彎矩計算）；●錨固長度基本錨固長度錨固長度原規(guī)范規(guī)定：當混凝土的強度等級高于C40時，按C40取值；修訂后改為：當混凝土的強度等級高于