500MPa级钢筋溷凝土构件的受力性能及工程应用a

一.概述●混凝土结构是我国工程建设中应用最广泛的结构形式之一，热轧带肋钢筋是混凝土结构中应用最广泛的受力和构造钢筋，据不完全统计，2009年我国热轧钢筋的用量已接近1亿吨。但我国混凝土结构目前所应用的钢筋和混凝土强度比西方发达国家普遍要低1-2个等级，消耗了过多的资源和能源。为尽快改变这种不合理状况，新修订的《混凝土结构设计规范》GB50010-2010列入了500MPa级钢筋。●500MPa级钢筋是我国冶金行业新研制开发的用于非预应力混凝土结构的性能优良的高强度钢筋。分为添加钒、钛等低合金元素轧制的HRB500级和采用控温技术(不加或少加低合金元素)轧制的细晶粒HRBF500级。其抗拉强度标准值为500MPa，强屈比1.2-1.3，断口伸长率d10在15%以上，均匀伸长率dgt大于10%，达到了欧洲规范MC-90规定的S级(优级)延性钢筋指标的要求，也达到了欧洲规范《建筑结构抗震设计规定》ENV-8中对用于抗震结构“H”类高延性钢筋要求均匀伸长率的要求。●长期以来，我国热轧带肋钢筋的品种主要是添加钒、钛等合金元素的普通低合金钢，由于钢筋用量巨大，近年来已造成钒、钛等低合金资源资紧张，价格眀显上涨，对热轧钢筋的生产和应用带来不利影响。●细晶粒热轧带肋钢筋是我国冶金行业研究开发的新型热轧钢筋，这种钢筋生产过程中不需要添加或只需添加很少的钒、钛等合金元素，而是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺轧制成的带肋钢筋，其金相组织主要是铁素体加珠光体，晶粒度不粗于9级。细晶粒热轧带肋钢筋的外形与普通低合金热轧带肋钢筋相同，其强度和延性完全满足混凝土结构对钢筋性能的要求。●用细晶粒热轧带肋钢筋代替我国目前大量使用的普通低合金热轧钢筋可节约国家宝贵的钒、钛等合金元素资源，降低碳当量和钢筋的价格，社会效益和经济效益均十分显著。500MPa级钢筋外形及拉伸试验

d=25mm500MPa钢筋

d=8mm500MPa钢筋二.500MPa级钢筋用于混凝土结构的试验研究●为了尽快使500MPa级钢筋在工程中得到应用，郑州大学、首钢总公司、中国建筑科学研究院结构所和河南省第一建筑工程有限责任公司从2002年起进行了较为系统的500MPa级钢筋工程应用研究，主要研究内容有500级钢筋混凝土受弯、受剪、受压、预应力构件的受力性能的试验研究，500MPa级钢筋与混凝土粘结锚固性能的试验研究，500级钢筋焊接和机械连接性能的试验研究等，提出了500MPa级钢筋在工程设计、施工中的主要技术参数，为规范修订提供依据。1.500MPa级钢筋混凝土受弯构件的受力性能●简支梁和连续梁的受弯试验表明，500MPa级钢筋混凝土受弯构件的受力性能和普通热轧带肋钢筋混凝土构件基本相同，受弯承载力可按《混凝土结构设计规范》GB50010中规定的受弯构件正截面承载力计算公式计算；取抗拉设计强度fy=435MPa，受弯承载力有足够的安全储备。●受弯构件的挠度和裂缝宽度仍可按规范规定的公式计算（裂缝计算公式适当修改），在常用配筋率情况下，采用500MPa级钢筋混凝土受弯构件在正常使用极限状态下的挠度和裂缝宽度可满足现行规范规定的挠度限值。●500MPa级钢筋有很好的延性，受弯构件塑性鉸有足够的转动能力，在超静定结构中可形成破坏机构，实现完全的塑性内力重分布，可用于考虑塑性内力重分布设计的结构。2.500MPa级钢筋混凝土受剪构件的受力性能●通过7根不同剪跨比和不同配箍率受剪构件的试验表明，用500MPa级钢筋作抗剪箍筋的混凝土构件的受剪性能和普通钢筋基本相同，受剪承载力仍可按《混凝土结构设计规范》GB50010中规定的斜截面承载力计算公式计算，为控制斜裂缝的宽度，建议在受剪承载力计算中取箍筋屈服强度设计值fyv=360MPa。注：新修订规范的抗剪公式进行了修改。3500MPa级钢筋混凝土受压构件的受力性能●对30根配有500MPa级纵向受力钢筋的轴心受压短柱(混凝土强度等级为C30~C80，受压钢筋配筋率(0.2%~5.2%)的试验结果表明，在配有纵筋的受压构件中，混凝土的受压的峰值应变有所提高；当轴心压力增大到破坏荷载的90%左右时，柱侧面混凝土出现纵向裂缝，此时混凝土的压应变已达到0.0025，纵向受压钢筋的应力已达到500MPa；临近破坏时，混凝土出现多条纵向裂缝，纵向受压钢筋达到屈服强度，说明在轴心受压短柱中钢筋和混凝土的强度均能得到较好发挥。●因此在配有500MPa级钢筋的混凝土受压构件中，钢筋的抗压强度设计值可按我国混凝土结构设计规范的规定，取热轧钢筋的材料性能分项系数1.15，则可取500MPa级钢筋抗压强度设计值为f

y’=500/1.15≌435MPa，并有足够的安全储备。4.500MPa级钢筋作为预应力构件中非预应力筋的受力性能●通过11根采用500MPa级钢筋作为非预应力筋的预应力混凝土梁（4根先张法、3根后张法、3根疲劳试验、1根12m先张法箱梁）的受力性能试验，表明500MPa级钢筋作为预应力混凝土构件的非预应力筋时其强度能充分发挥：(1)试验梁预应力度较好，在自重作用下的反拱约10mm；正抗裂性能及竖向挠度均能满足要求；(2)裂缝发展均匀、裂缝宽度一直很小，临近破坏时（90%破坏荷载）最大裂缝宽度仅为0.2mm；由于折线形预应力筋的作用，在试验梁的弯剪段未出现斜裂缝；(3)取fy=500/1.15=435MPa，试验梁有足够的承载力安全储备，在达到设计破坏荷载的130%时才发生破坏；破坏时跨中挠度接近l/50，表现出较好的延性；破坏受压区混凝土被压碎，钢绞线和非预应力钢筋均未发生断裂。5.500MPa级钢筋与混凝土的粘结锚固性能●6组72个粘结锚固试件的拔出试验结果表明500MPa级带肋钢筋与混凝土的锚固性能和普通带肋（月牙纹）钢筋相同，其设计锚固长度仍可按现行《混凝土结构设计规范》规定的公式计算。试验结果公式：规范建议公式：●计算的锚固长度的比值均在1.10到1.14左右，十分稳定，且500MPa级钢筋与400MPa级钢筋的比值基本一样，说明500级钢筋的设计锚固长度仍可按《混凝土结构设计规范》GB50010规定的公式计算。表1锚固长度计算比较钢筋品种

取值（MPa）混凝土强度等级（MPa）

500MPa级钢筋435C201.1055.3649.921.109C301.4342.5938.141.117C401.7135.6131.721.123C501.8932.2228.591.127≥C602.0429.8526.411.130400MPa级钢筋360C201.1045.8241.121.114C301.4335.2431.381.123C401.7129.4726.061.131C501.8926.6723.471.136≥C602.0424.7121.671.140●现行《混凝土结构设计规范》GB50010-2002的设计锚固长度计算公式规定当混凝土强度等级>C40时，仍按C40级混凝土计算。试验结果表明，当混凝土强度等级为C40~C80时，规范的设计锚固长度计算公式仍能较好适用，考虑到近年来高强混凝土的应用日益增多，建议锚固长度计算公式中混凝土强度等级的上限可提高到C60。6.500MPa级钢筋焊接和机械连接性能●进行了500MPa级钢筋的闪光对焊、电弧焊、气压焊和剥肋滚压直螺纹连接、挤肋滚压直螺纹连接、镦粗直螺纹连接、锥螺纹连接、冷挤压连接等多种连接接头的受力性能试验。试验结果表明，除锥螺纹连接外，500MPa级钢筋的闪光对焊、电弧焊、气压焊和剥肋滚压直螺纹连接、挤肋滚压直螺纹连接、镦粗直螺纹连接、冷挤压连接的受力性能良好，均能达到国家相关技术标准的要求，可在工程实践中应用。7.500MPa级钢筋试点工程三.《规范》列入500级钢筋后教学中应注意的问题1.热轧钢筋的品种及牌号

表2普通钢筋强度标准值牌号符号公称直径d（mm）屈服强度标准值fyk（N/mm2）极限强度标准值fstk（N/mm2）HPB3006～22300420HRB335HRBF3356～50335455HRB400HRBF400RRB4006～50400540HRB500HRBF5006～50500630F

F

R

F

2.钢筋的强度设计值和伸长率2.热轧钢筋强度设计值表3普通钢筋强度设计值（N/mm2）牌号HPB300270270HRB335、HRBF335300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435（抗剪计算360）435抗拉强度设计值抗压强度设计值表4普通钢筋及预应力筋在最大力下的总伸长率限值钢筋品种普通钢筋预应力筋HPB300HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500δgt（%）10.07.53.5注：有较高抗震性能要求的普通热轧带肋钢筋HRB400E、HRBF400E、HRB500E、HRBF500E等，δgt不小于9.0%。3.钢筋最大力下的总伸率（均匀伸长率）

●钢筋断后伸长率只能反映钢筋断口颈缩区域残余变形的大小；不同标距长度l0得到的结果不一致；忽略了钢筋的弹性变形，不能反映钢筋受力时的总体变形能力；容易产生人为误差。●最大力下的总伸长率（均匀伸长率）dgt

（Agt）4.最小配筋率表5纵向受力钢筋的最小配筋百分率ρmin(%)受力类型最小配筋百分率受压构件全部纵向钢筋强度级别500N/mm20.50强度级别400N/mm20.55强度级别300N/mm2、335N/mm20.60一侧纵向钢筋0.20梁类受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件一侧的受拉钢筋

中的较大值0.20和45注：1.受压构件全部纵向钢筋最小配筋百分率，当采用C60及以上强度等级的混凝土时，应按表中规定增加0.10；

2.板类受弯构件的受拉钢筋，当采用强度级别400N/mm2、500N/mm2

的钢筋时，其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/fy

中的较大值

5.其他方面●裂缝宽度计算（修改钢筋混凝土裂缝宽度计算公式，钢筋应力按荷载准永久组合弯矩计算）；●锚固长度基本锚固长度锚固长度原规范规定：当混凝土的强度等级高于C40时，按C40取值；修订后改为：当混凝土的强度等级高于