高强钢筋在结构设计裂缝控制应用中的影响

苏尧 赵望

摘要：根据规范规定的裂缝计算方法和相应构造条件，对地下结构和地上结构在受弯条件下的钢筋用量控制条件及钢筋应力水平进行分析比较，在此基础上，得出不同环境类别下，高强钢筋的高强度的发挥情况，以及由此带来的对规范提倡推荐使用高强钢筋的思考。通过对试验数据的回归分析，以及梁侧面受拉钢筋中心处与受拉边缘裂缝宽度的换算关系式，建议公式计算得到的裂缝宽度和试验值吻合较好。

关键词：高强钢筋；结构设计；裂缝控制；应用

引言

在建筑结构设计裂缝的控制措施，是根据现行的《混凝土结构设计规范》（GB50010一2002）规定的裂缝计算方法和相应的构造方法措施，对地下和地上结构在受弯条件下的钢筋用量进行控制。但是在工程具体应用中，对于高强度钢筋的应用在某些条件下，是否能够达到规范所提倡的应用还是要做具体分析。所谓高强度钢筋在这里主要指的是：HRB500级和CRB600H钢筋，本文就此种钢筋的使用进行研究。

1试验研究

1.1试验概况

试件设计：共设计了14根简支钢筋混凝土梁，包括10根轻骨料混凝土梁（试件编号LB-1～LB-10）和4根普通混凝土梁（试件编号CB-1～CB-4），主要考虑了截面尺寸、保护层厚度、混凝土种类和钢筋种类等参数。试件跨中截面如图1所示，试件的主要参数设置见表1。其中，b、h分别表示试件截面的宽度、高度，L为试件的总长度，cs为纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度。试件的纵向受力钢筋直径为16mm和25mm，牌号为HRB500级和CRB600H。

为了便于观察试件受拉边缘裂缝，采用如图2所示的反向加载方式。试件的悬臂长度为1200mm，纯弯段长度为1900mm。试件受压纵筋的混凝土保护层厚度均为20mm，纯弯段配有箍筋10@300，剪弯段配有箍筋10@100（试件LB-1～LB-10和试件CB-1～CB-3）和10@75（试件CB-4）。

1.2 材料及其力学性能

试验所采用的轻骨料混凝土LC30、LC60-Ⅰ、LC60-Ⅱ中，粗骨料为碎形页岩陶粒、细骨料为普通河砂；普通混凝土C30、C60中，粗骨料则为普通碎石、细骨料也为普通河砂。混凝土的配合比见表2。参考GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》将试块与试件同条件养护，可得混凝土立方体抗压强度fcu、棱柱体轴心抗压强度fc、圆柱体轴心抗压强度f'c、弹性模量Ec和容重wc等材性参数实测。

1.3 试验加载及量测方案

试件加载时，两端千斤顶同步加载，如图2所示。在达到0.8Pu，c（Pu，c为极限荷载计算值）前，采用力控制加载，每级加载增量取为0.1Pu，c；之后，采用跨中挠度控制加载直至试件破坏，每级加载增量取为5mm。试验加载过程中，对荷载及试件混凝土表面裂缝进行了量测。在（0.5～0.8）Pu，c各级荷载工况下，持荷并采用裂缝宽度电子观测仪量测试件的受拉边缘（Ⅰ）、梁侧面受拉钢筋中心处（Ⅱ）两个位置（图1）的裂缝宽度。当加载到0.8Pu，c左右时，用钢尺量测试件侧面受拉钢筋中心处的裂缝间距。

2、试验主要结果

2.1 裂缝发展过程

当荷载加至约0.2Pu（Pu为极限荷载实测值）时，在试件纯弯段的底面、侧面出现一条或多条宽度较小的裂缝，裂缝高度为h/5～h/4。随着荷载进一步增加，纯弯段裂缝数量逐渐增多，宽度也逐渐增大。当荷载增加到约0.5Pu，裂缝基本出齐。进一步加载后，在主裂缝间距之内会出现次生裂缝，但其发展高度和宽度均较小。当荷载接近Pu时，裂缝不断向受压区延伸并变宽，此时受拉钢筋已进入屈服状态，当荷载达到Pu时，纯弯段部分裂缝迅速变宽，受压区混凝土被严重压碎。试件纯弯段在0.7Pu左右时的典型裂缝形态如图3所示。

2.2 轻骨料混凝土和普通混凝土试件对比

对比试件LB-3和试件CB-1、试件LB-4和试件CB-2、试件LB-9和试件CB-3及试件LB-10和试件CB-4可见，轻骨料混凝土梁的平均裂缝间距较普通混凝土梁的小；轻骨料混凝土的裂缝宽度也普遍较普通混凝土的小。其主要原因是，轻骨料混凝土的骨料表面多孔，与水泥砂浆的界面黏结致密，且骨料强度一般小于水泥砂浆的强度，特别是高强轻骨料混凝土，裂缝会先在骨料内部发生，次生裂缝相对较少，但也会导致其裂缝宽度变异较大；钢筋与陶粒混凝土之间的黏结性能更好，导致裂缝间距变小。

2.3 受拉边缘裂缝宽度

JGJ12—2006《轻骨料混凝土结构技术规程》、GB50010—2010《混凝土结构设计规范》和欧盟标准EN1992-1-1中主要控制梁侧面最外排受拉钢筋中心处的裂缝宽度，而美国规范ACI318则控制梁受拉边缘的裂缝宽度。因此，研究不同位置的裂缝宽度关系将有利于进行规范对比。

结论

虽然高强度钢筋的强度指标比较高，但是其强度模量并未有提高。现行规范的裂缝宽度计算理论也未有大的改变，相应的裂縫宽度计算方式并不推荐高强度钢筋的应力充分发挥掉，也在间接上限制了高强度钢筋的更广泛使用。

参考文献

[1]张世贵.高强钢筋钢纤维混凝土梁疲劳性能试验研究[D].郑州大学，2017.

[2]李保军.CRH600H高延性冷轧带肋钢筋在结构设计中的应用[D].河北工程大学，2017.

[3]徐青赟.HRB500钢筋并筋梁的受弯性能试验研究[D].南昌航空大学，2016.

[4]李冬.混凝土及钢筋混凝土柱尺寸效应分析[D].北京工业大学，2017.

（作者单位：中建二局第一建筑工程有限公司）