500MPa級(jí)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(guó)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(jì)，2009年我國(guó)熱軋鋼筋的用量已接近1億噸。但我國(guó)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(guó)家普遍要低1-2個(gè)等級(jí)，消耗了過(guò)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(jì)規(guī)范》GB50010-2010列入了500MPa級(jí)鋼筋?！?00MPa級(jí)鋼筋是我國(guó)冶金行業(yè)新研制開(kāi)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(jí)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(jí)。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(zhǎng)率d10在15%以上，均勻伸長(zhǎng)率dgt大于10%，達(dá)到了歐洲規(guī)范MC-90規(guī)定的S級(jí)(優(yōu)級(jí))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(jì)規(guī)定》ENV-8中對(duì)用于抗震結(jié)構(gòu)“H”類高延性鋼筋要求均勻伸長(zhǎng)率的要求?！耖L(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)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(lái)已造成釩、鈦等低合金資源資緊張，價(jià)格眀顯上漲，對(duì)熱軋鋼筋的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)不利影響?！窦?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋是我國(guó)冶金行業(yè)研究開(kāi)發(fā)的新型熱軋鋼筋，這種鋼筋生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中，通過(guò)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(jí)。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(duì)鋼筋性能的要求?！裼眉?xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋代替我國(guó)目前大量使用的普通低合金熱軋鋼筋可節(jié)約國(guó)家寶貴的釩、鈦等合金元素資源，降低碳當(dāng)量和鋼筋的價(jià)格，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。500MPa級(jí)鋼筋外形及拉伸試驗(yàn)

d=25mm500MPa鋼筋

d=8mm500MPa鋼筋二.500MPa級(jí)鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究●為了盡快使500MPa級(jí)鋼筋在工程中得到應(yīng)用，鄭州大學(xué)、首鋼總公司、中國(guó)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(jí)鋼筋工程應(yīng)用研究，主要研究?jī)?nèi)容有500級(jí)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(yàn)研究，500MPa級(jí)鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究，500級(jí)鋼筋焊接和機(jī)械連接性能的試驗(yàn)研究等，提出了500MPa級(jí)鋼筋在工程設(shè)計(jì)、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(jí)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的受力性能●簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的受彎試驗(yàn)表明，500MPa級(jí)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(jì)規(guī)范》GB50010中規(guī)定的受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算公式計(jì)算；取抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)y=435MPa，受彎承載力有足夠的安全儲(chǔ)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(jì)算（裂縫計(jì)算公式適當(dāng)修改），在常用配筋率情況下，采用500MPa級(jí)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。●500MPa級(jí)鋼筋有很好的延性，受彎構(gòu)件塑性鉸有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在超靜定結(jié)構(gòu)中可形成破壞機(jī)構(gòu)，實(shí)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(jì)的結(jié)構(gòu)。2.500MPa級(jí)鋼筋混凝土受剪構(gòu)件的受力性能●通過(guò)7根不同剪跨比和不同配箍率受剪構(gòu)件的試驗(yàn)表明，用500MPa級(jí)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(jì)規(guī)范》GB50010中規(guī)定的斜截面承載力計(jì)算公式計(jì)算，為控制斜裂縫的寬度，建議在受剪承載力計(jì)算中取箍筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fyv=360MPa。注：新修訂規(guī)范的抗剪公式進(jìn)行了修改。3500MPa級(jí)鋼筋混凝土受壓構(gòu)件的受力性能●對(duì)30根配有500MPa級(jí)縱向受力鋼筋的軸心受壓短柱(混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30~C80，受壓鋼筋配筋率(0.2%~5.2%)的試驗(yàn)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(shí)，柱側(cè)面混凝土出現(xiàn)縱向裂縫，此時(shí)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(shí)，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(shuō)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(jí)鋼筋的混凝土受壓構(gòu)件中，鋼筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，取熱軋鋼筋的材料性能分項(xiàng)系數(shù)1.15，則可取500MPa級(jí)鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f

y’=500/1.15≌435MPa，并有足夠的安全儲(chǔ)備。4.500MPa級(jí)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(guò)11根采用500MPa級(jí)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(yàn)、1根12m先張法箱梁）的受力性能試驗(yàn)，表明500MPa級(jí)鋼筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的非預(yù)應(yīng)力筋時(shí)其強(qiáng)度能充分發(fā)揮：(1)試驗(yàn)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(shí)（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(yàn)梁的彎剪段未出現(xiàn)斜裂縫；(3)取fy=500/1.15=435MPa，試驗(yàn)梁有足夠的承載力安全儲(chǔ)備，在達(dá)到設(shè)計(jì)破壞荷載的130%時(shí)才發(fā)生破壞；破壞時(shí)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(jí)鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能●6組72個(gè)粘結(jié)錨固試件的拔出試驗(yàn)結(jié)果表明500MPa級(jí)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(jì)錨固長(zhǎng)度仍可按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的公式計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果公式：規(guī)范建議公式：●計(jì)算的錨固長(zhǎng)度的比值均在1.10到1.14左右，十分穩(wěn)定，且500MPa級(jí)鋼筋與400MPa級(jí)鋼筋的比值基本一樣，說(shuō)明500級(jí)鋼筋的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度仍可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010規(guī)定的公式計(jì)算。表1錨固長(zhǎng)度計(jì)算比較鋼筋品種

取值（MPa）混凝土強(qiáng)度等級(jí)（MPa）

500MPa級(jí)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(jí)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(jì)規(guī)范》GB50010-2002的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式規(guī)定當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)>C40時(shí)，仍按C40級(jí)混凝土計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40~C80時(shí)，規(guī)范的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式仍能較好適用，考慮到近年來(lái)高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用日益增多，建議錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式中混凝土強(qiáng)度等級(jí)的上限可提高到C60。6.500MPa級(jí)鋼筋焊接和機(jī)械連接性能●進(jìn)行了500MPa級(jí)鋼筋的閃光對(duì)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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，除錐螺紋連接外，500MPa級(jí)鋼筋的閃光對(duì)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(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可在工程實(shí)踐中應(yīng)用。7.500MPa級(jí)鋼筋試點(diǎn)工程三.《規(guī)范》列入500級(jí)鋼筋后教學(xué)中應(yīng)注意的問(wèn)題1.熱軋鋼筋的品種及牌號(hào)

表2普通鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值牌號(hào)符號(hào)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(jì)值和伸長(zhǎng)率2.熱軋鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表3普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）牌號(hào)HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435（抗剪計(jì)算360）435抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值表4普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋在最大力下的總伸長(zhǎng)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(zhǎng)率）

●鋼筋斷后伸長(zhǎng)率只能反映鋼筋斷口頸縮區(qū)域殘余變形的大??；不同標(biāo)距長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)率（均勻伸長(zhǎng)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(jí)別500N/mm20.50強(qiáng)度級(jí)別400N/mm20.55強(qiáng)度級(jí)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(jí)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(jí)別400N/mm2、500N/mm2

的鋼筋時(shí)，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(jì)算（修改鋼筋混凝土裂縫寬度計(jì)算公式，鋼筋應(yīng)力按荷載準(zhǔn)永久組合彎矩計(jì)算）；●錨固長(zhǎng)度基本錨固長(zhǎng)度錨固長(zhǎng)度原規(guī)范規(guī)定：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)高于C40時(shí)，按C40取值；修訂后改為：當(dāng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)高于