1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）收稿日期：；修回日期：基金项目：安徽 省 高 校 协 同 创 新 资助项目（）；安徽省地方规程 高强钢筋应用技术规程 专题研究 资 助 项 目（）作者简介：陈安英（），男，安徽和县人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师；高鹏（），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师，通信作者，：；完海鹰（），男，安徽合肥人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师；朱华（），男，安徽合肥人，安徽寰宇建筑设计院正高级工程师，硕士生导师：级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究陈安英，邓松，高鹏，完海鹰，朱华，刘西洋（合肥工业大学 土木与
2、水利工程学院，安徽 合肥 ；合肥工大共达工程检测试验有限公司，安徽 合肥 ；安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 ）摘要：为研究配置 级钢筋混凝土梁的抗弯性能，文章设计制作 根不同配筋率的 级钢筋、混凝土梁，采用三分点静力加载的方式，对试件的破坏形态、钢筋强度设计值取值、极限承载力、跨中挠度及裂缝宽度等进行试验研究。结果表明，配置 级钢筋混凝土梁的受力形态、破坏模式与普通钢筋混凝土梁相同，其极限承载力仍然可以按照相关规范公式进行计算；建议对于受弯构件，级钢筋的屈服强度标准值取 ，抗拉强度设计值取 ，抗压强度设计值取 ；对比跨中挠度实测值与相关规范计算值，发现两者在正常使用阶段吻合良好；试件实测最大裂
3、缝宽度值比相关规范计算值大，在此结果基础上提出最大裂缝宽度调整系数，对短期荷载作用下最大裂缝宽度计算公式进行修正，调整后得到的计算值与实测值吻合度较高。关键词：级钢筋；混凝土梁；受弯性能；钢筋强度设计值；最大裂缝宽度中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；随着现代混凝土结构朝着大跨、高层、重载的方向发展，越来越多的工程采用高强高性能的材料。相比于传统的 级钢筋，级高强钢筋这种新型的建筑材料具有强度高、综合造价低及绿色环保等优点。但是在实际工程中，级高强钢筋并未得到广泛的应用，在行业整体内所占的比例并不是很高。这主要是由于文献 对 级钢筋的设计参数未做规定，使得 级钢筋混凝
4、土结构设计理论不够成熟，在其推广应用过程中没有足够的理论依据。目前对于配置 级钢筋混凝土受弯构件的力学性能，已有一些试验研究。文献对配置 级钢筋混凝土梁受弯性能进行试验研究；文献 对配置 级钢筋混凝土梁裂缝宽度进行试验研究；文献 对配置 级钢筋混凝土梁的抗裂性能和变形性能进行试验研究；文献 对配置 级钢筋混凝土梁的受弯及受剪性能进行试验研究。综合分析已有相关研究成果，对于配置 级钢筋混凝土受弯构件的研究，主要集中在配筋率以下及跨高比小于的试件，且对上部架立筋为 级钢筋构件的研究报道很少，使得配置 级钢筋混凝土受弯构件的试验资料缺乏完整性。本文设计 根跨高比为的高配筋率钢筋混凝土梁，且下部受拉钢
5、筋和上部架立筋均采用 级高强钢筋，结合试验现象及相关试验数据，对配置 级钢筋混凝土梁的破坏形态、钢筋强度设计值取值、极限承载力、跨中挠度及裂缝宽度等开展研究，以期为 级钢筋混凝土受弯构件的理论设计及工程应用提供一定的依据。试验概况试件设计试验共设计 根不同配筋率的 级钢筋混 凝 土 梁，其 宽 高 长 为 ，计算跨度 。设计混凝土等级为 ，保护层厚度为。纵向受拉钢筋采用 级钢筋，直径有、种；受压钢筋（架立筋）采用根 级钢筋，直径为；箍筋采用 级钢筋，直径为。试件尺寸及配筋示意图如图所示。图中，、分别为受拉区、受压区纵向钢筋的截面面积。试件编号、纵筋分布及配筋率见表所列。图试件尺寸及配筋示意图表
6、试件编号、纵筋分布及配筋率试件编号纵筋分布配筋率 注：代表 级钢筋。材料力学性能试验所用混凝土均为 强度等级，试件浇筑时，每个试件预留个边长为 的标准立方体试块，制作完成后与浇筑好的试件在相同条 件 下 养 护。试 验 所 用 的 钢 筋 型 号 主 要 为 ，在钢筋下料时不同直径的钢筋各预留根长度为 的试样。试验开始前对所预留的材料试样进行力学性能试验，钢筋的力学性能试验结果见表所列。混凝土实测立方体抗压强度为 ，第期陈安英，等：级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究轴心抗压强度换算值为 ，轴心抗拉强度换算值为 ，弹性模量为 。表 级钢筋力学性能试验结果屈服强度 极限强度 弹性模量 试验加载及测量内
7、容试验采用三分点静力加载方式，保证在试验梁跨中部位形成 纯弯段。试验加载装置示意图如图所示，通过液压千斤顶进行加载，用简支分配梁将千斤顶的压力对称分配给试验梁，在千斤顶底面与分配梁之间安装压力传感器，记录荷载变化。试验梁支座采用简支形式，一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座。加载点、支座处均加垫钢板，防止加载过程中混凝土局部压坏。试验加载制度参考文献 ，正式加载前先预加载至梁计算开裂荷载的，检验支座是否平稳，仪表及加载设备是否正常，并对设备进行调零。加载前期按照开裂荷载计算值的 进行分级加载，达到开裂荷载计算值 后，按照开裂荷载计算值的进行加载；当试件开裂后，按照极限承载力计算值的 进行分级加
8、载（极限承载力根据试验材料强度实测值计算得到），达到极限承载力计算值 后，按照极限承载力计算值的进行加载，直至试件破坏。每级荷载加载结束后持荷 ，用于观察试验现象及数据记录。图试验加载装置示意图钢筋的应变通过在受拉与受压钢筋的跨中及个三分点位置处粘贴应变片来测量；试验梁开裂后，通过裂缝观测仪测量每级荷载下纵筋对应位置的裂缝宽度。试验梁钢筋应变片布置及裂缝测点位置如图所示。图中，为受拉区纵向钢筋合力点至截面受拉区边缘的距离。图试验测点布置试验现象试验设计的 根 级钢筋混凝土梁在加载过程中均出现适筋破坏特征，下面以最低配筋率试件（）和最高配筋率试件（）为代表，描述不同配筋率试件的试验现象。（）试件
9、 。试验先预加载（）检查各仪器是否正常工作，检查后卸载至，然后开始正式加载。加载初期，钢筋的应变很小，钢筋及混凝土应变增长较为稳定。当加载至 时，在纯弯段左、右加载点处截面下部各出现条裂缝，宽度均为，高度约。加载到 时，纯弯段裂缝延伸高度均大于 ，最大延伸高度为 ，此时最大裂缝宽度为。加载到 时，纯弯段裂缝高度发展迅速，最大延伸高度为 ，最大裂缝宽度达到。加载到 时，纯弯段裂缝高度最大已达 ，部分新增裂缝高度均超过 ，此时最大裂缝宽度达到。加载到 时，弯剪段开始出现斜裂缝，纯弯段最大裂缝宽度达到。加载到 时，弯剪段斜裂缝迅速发展，纯弯段最大裂缝宽度已达到。加载到 时，纯弯段裂缝高度基本保持不变
10、，最大裂缝宽度迅速发展至 ，此时受拉钢筋屈服。随着荷载继续增加，试验梁最大裂缝宽度急剧发展，加载后期，荷载出现上下波动，荷载值难以增加，短暂的持续时间后，梁顶混凝土被压碎，试验梁破坏。整个加载过程经历较大的变形，破坏时最大裂缝宽度达到，破坏具有明显的预兆。试件 的裂缝分布及破坏形态分别如图、图所示。（）试件 。试件 的裂缝分布及破坏形态分别如图、图所示。合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷图试件 破坏阶段裂缝分布情况图试件 破坏形态图试件 破坏阶段裂缝分布情况图试件 破坏形态试验首先预加载（）检查各仪器是否正常工作，检查后卸载至，然后开始正式加载。当加载到 时，在纯弯段右加载点试验梁截面下部出
11、现第条裂缝，宽度为，高度为，梁开裂。加载到 时，纯弯段裂缝高度延伸长度最大为 ，平均延伸高度将近梁高，最大裂缝宽度为。加载到 时，纯弯段裂缝高度发展很快，裂缝高度接近 ，最大裂缝宽度增大为 。加载到 时，裂缝高度变化不大，裂缝宽度发展迅速，最大裂缝宽度为 。加载到 时，纯弯段裂缝基本出齐，弯剪段裂缝开始斜向发展并不断延伸。加载到 时，纯弯段裂缝高度基本保持稳定，最大裂缝宽度为。加载到 时，最大裂缝宽度为，钢筋达 到 屈服应力。加载到 第期陈安英，等：级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究时，纯弯段裂缝高度继续保持稳定，宽度保持不断增长，最大裂缝宽度为，弯剪段斜裂缝开展明显，已经延伸到支座处。随着荷载的
12、继续增加，裂缝宽度急剧增大，而基本不向上发展，跨中挠度增加较快。加载后期，荷载出现上下波动现象，荷载值很难增加，试验梁跨中挠度急剧增加，伴随着“蹦”的一声，梁顶部混凝土被压碎，试验梁破坏。整个过程经历较大的变形，破坏时最大裂缝宽度达到 ，破坏具有明显的预兆。分析试件、试件 整个加载过程中的试验现象，高配筋率试件在加载初期裂缝宽度增大更加快速，加载后期，不论是高配筋率试件，还是低配筋率试件，裂缝宽度发展都很快，在裂缝宽度发展到限值 时，所有试验梁的承载力发挥程度均不充分，建议规范对配置 级钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度限值适当放宽。试验结果分析荷载挠度曲线 个试件的荷载跨中挠度曲线如图 所示，挠度值
13、为跨中位移计读数与个支座位移计读数平均值之差。由图可知，配置 级钢筋混凝土梁的变形呈现适筋梁典型的三阶段模式。（）弹性阶段。从开始加载至试验梁开裂前，试件的挠度增加较小，荷载挠度曲线基本呈线性增加。（）带裂缝工作阶段。当荷载增加至开裂荷载时，试验梁纯弯段内出现条或几条初始裂缝，荷载挠度曲线斜率开始发生改变，试件刚度略微降低。随着荷载进一步增加，试验梁挠度稳定增长，直至纵向受力钢筋达到其屈服强度后，试件变形发生突增，荷载挠度曲线上出现明显的拐点，曲线斜率变化较大，试件刚度降低明显。（）破坏阶段。当钢筋屈服后，荷载略微增加一段时间后基本保持不变，但试验梁挠度快速增加，中和轴位置快速上移，不久荷载出
14、现上下波动现象，荷载值难以增加，随即伴随着清脆的“蹦”声，梁顶部混凝土被压碎，瞬时间梁挠度值急剧增加，荷载下降，试验梁失去稳定承载能力。图 个试件的荷载跨中挠度曲线荷载应变曲线 个试件的荷载钢筋应变曲线如图 所示，钢筋应变片位于试验梁纯弯段受拉纵筋上。由图可知：在加载初期，级钢筋混凝土梁的钢筋应变较小，应变增长稳定，混凝土与钢筋共同受力；随着荷载增加，在试验梁的纯弯段首先出现裂缝，此时纯弯段区域抗拉承载力主要由受拉纵筋承担，钢筋应变明显增大，荷载应变曲线斜率发生改变；此后继续加载，受拉钢筋应变不断增大，在约 时受拉钢筋屈服；之后随着荷载增加，荷载应变曲线出现明显转折点，钢筋应变迅速增长；最终，
15、随着荷载达到试验梁的极限承载力，受压区混凝土被压碎，试验梁破坏。试验梁在破坏前受拉钢筋均已屈服，发生适筋破坏。合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷图 个试件的荷载钢筋应变曲线截面应变分布试验过程中通过混凝土应变片测得试件在不同级荷载作用下的截面应变发展规律，试件 、跨中截面应变分布如图 所示。图 中，为试件实测破坏弯矩。由图 可知，在正常使用阶段，配置 级钢筋的混凝土梁在各级荷载作用 下截 面应 变 规律 基 本符合平 截面假定。图 试件、跨中截面应变分布抗弯承载力试验分析钢筋强度设计值取值试验过程中，通过应变片和采集仪获得 个试件破坏阶段的应变数据，见表所列。从表可以看出，个试件破坏阶段受拉
16、钢筋的峰 值 应 变 范 围 为 ，受压钢筋的峰值应变范围为 。表 个试件实测应变数据 试件编号受拉钢筋应变受压钢筋应变 注：负号表示受压。抗拉强度设计值由表 可知，屈服强度实测值的平均值为 ，标准差为 。结合表试验梁破坏阶段受拉钢筋的应变数据，可认为对于受弯 构件，受拉 钢 筋的屈服强度平均值?，标准差 。根据文献，钢筋的强度标准值应具有不小于 的保证率，则屈服强度标准值?，可 取 屈 服 强 度 标 准 值 为 。对于钢筋抗拉强度设计值，其为钢筋强度标准值除以材料的分项系数，按文献 取材料分项系数为，则抗拉强度设计值 ，可 取 抗 拉 强 度 设 计 值为 。综合以上分析，对于配置 级高强钢筋混凝土受弯构件，钢筋的屈服强度标准值可取为 ，抗拉强度设计值可取为 。抗压强度设计值由表可知，根试验梁的受压钢筋峰值应变平均值为 ，标准差为 。钢筋的弹性模量为 ，则受压钢筋的应力平均值为 ，标准差为 。钢筋的抗压强度标准值 ，抗压强度第期陈安英，等：级钢筋混凝土梁受弯性能试验研究设计值 ，可取抗压强度设计值 。极限承载力计算配置 级钢筋混凝土梁在整个受力过程中基本符合平截面假定，根据文献 给
