配置HRB500钢筋混凝土梁的试验及理论研究
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摘要
HRB500钢筋的强度高且延性好，具有节约能源、降低材料消耗等优点，在国外的发达国家已经广泛应用于实际工程中。HRB500级钢筋已经列入我国现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）。但是应用HRB500钢筋作受力主筋有可能会使结构构件处在高应力状态时而出现过宽的裂缝而不满足结构的适用性与耐久性的要求。因此进行对配置HRB500高强钢筋的混凝土结构的理论研究及试验分析研究具有重要的实际意义和工程应用指导意义。
进行配置HRB500高强钢筋的混凝土梁的受弯、受剪性能试验研究，分析构件承载能力、构件破坏形态、裂缝开展和变形特点。对掺入定量的聚丙烯纤维混凝土梁对比分析其受弯承载力、挠度与裂缝宽度。研究结果表明：配置HRB500钢筋混凝土梁的受力性能与配置普通钢筋的混凝土梁相同；配置HRB500高强钢筋的混凝土梁的受弯承载力、受剪承载力、挠度及裂缝宽度均可以按照现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）及《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中相关公式计算。掺入聚丙烯纤维可以提高试件的抗裂能力，减小裂缝间距和裂缝宽度，以满足裂缝宽度限值的要求。
对配置HRB500高强钢筋的混凝土梁和配置HRB500高强钢筋的聚丙烯纤维混凝土梁进行正常使用极限状态下裂缝宽度的可靠度对比分析。结果表明：配置HRB500高强钢筋的混凝土梁正常使用极限状态下基于裂缝宽度的可靠度指标较低，而掺入定量聚丙烯纤维的高强钢筋混凝土梁的可靠度指标较高。
采用有限元法对聚丙烯纤维混凝土梁进行非线性分析，建立三维有限元模型，对聚丙烯纤维混凝土梁的受力过程进行数值模拟。有限元模拟的试验梁的极限弯矩、荷载-挠度曲线及荷载-钢筋应力曲线和试验吻合较好，该模型能够有效模拟聚丙烯纤维混凝土梁受弯性能。
在试验研究的基础上，将HRB500钢筋成功应用于工程实践。建设“河北省建设服务中心”示范工程，完成现场试验并进行效益分析。同时在河北工业大学土木工程试验室工程上进行应用研究。实践结果表明：HRB500高强度钢筋在工程中的推广应用具有显著的经济及社会效益，其应用前景广阔。
HRB500steel bar is a kind of high strength and strong ductility steel bar. It has a number ofadvantages, such as saving energy and reducing the material consumption. It has been widelyused in developed countries. It has been taken in by Code for design of concretestructures(GB50010-2010). However, the concrete beam with HRB500high strength steel barsmay appear oversized cracks, which can not satisfy the requirement for applicability anddurability. Therefore, it is very meaningful to research the structure with HRB500high strengthsteel bars.
The flexural specimens and shear specimens with HRB500high strength steel bars werecarried out. The bearing capacity, failure pattern, crack width and deformation of concrete beamsreinforced with HRB500high strength steel bar were analyzed. Furthermore, comparativeexperimental research on8flexural members added polypropylene fibers was carried out inorder to research the bending capacity, deformation and crack width of beams reinforced bypolypropylene fiber. It is shown that concrete beams reinforced with HRB500high strength steelbar can work well as the common reinforced concrete beams. The bending capacity, shearcapacity, deformation and crack width of polypropylene fiber concrete beams reinforced withhigh strength steel bar can still be calculated according to GB50010-2010and GB50010-2002.Such method as adding polypropylene fiber can enhance anti-crack performance of specimensand reduce the crack spacing and crack width to meet the limits of the maximum crack width.
Comparative analysis of reliability based on crack width in serviceability limit statebetween reinforced concrete with HRB500reinforcements and members reinforced bypolypropylene fibers. The analysis results indicate that reliability indexs based on crack width inserviceability limit state of reinforced concrete with HRB500reinforcements is low andreliability index of the others is promoted with polypropylene fibers.
Adopting the finite element method to analyze the polypropylene fibers reinforced concretebeam was the further studied. The3-D finite element model was established and nonlinear finiteelement method was used to analyze the mechanical process of polypropylene fibers concrete beam.The numerical results of ultimate montion, load-deflection curve and load-steel stresscurve showed good agreement with the experimental results. It is indicates that nonlinear finiteelement method can effectively simulate the flexural polypropylene fibers concrete beam.
Based on the experiment of beams with HRB500high strength steel bars, it has beenapplied to engineering practice. The demonstration project of Hebei province constructionservice center were built up and filed test and economical benefits analysis were done. TheHRB500steel bars are applied in foundation project of school of Civil Engineering HebeiUniversity of Technology. It is shown that the HRB500steel bar has economic, social benefitsand extremely wide application prospect.
进行配置HRB500高强钢筋的混凝土梁的受弯、受剪性能试验研究，分析构件承载能力、构件破坏形态、裂缝开展和变形特点。对掺入定量的聚丙烯纤维混凝土梁对比分析其受弯承载力、挠度与裂缝宽度。研究结果表明：配置HRB500钢筋混凝土梁的受力性能与配置普通钢筋的混凝土梁相同；配置HRB500高强钢筋的混凝土梁的受弯承载力、受剪承载力、挠度及裂缝宽度均可以按照现行《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）及《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中相关公式计算。掺入聚丙烯纤维可以提高试件的抗裂能力，减小裂缝间距和裂缝宽度，以满足裂缝宽度限值的要求。
对配置HRB500高强钢筋的混凝土梁和配置HRB500高强钢筋的聚丙烯纤维混凝土梁进行正常使用极限状态下裂缝宽度的可靠度对比分析。结果表明：配置HRB500高强钢筋的混凝土梁正常使用极限状态下基于裂缝宽度的可靠度指标较低，而掺入定量聚丙烯纤维的高强钢筋混凝土梁的可靠度指标较高。
采用有限元法对聚丙烯纤维混凝土梁进行非线性分析，建立三维有限元模型，对聚丙烯纤维混凝土梁的受力过程进行数值模拟。有限元模拟的试验梁的极限弯矩、荷载-挠度曲线及荷载-钢筋应力曲线和试验吻合较好，该模型能够有效模拟聚丙烯纤维混凝土梁受弯性能。
在试验研究的基础上，将HRB500钢筋成功应用于工程实践。建设“河北省建设服务中心”示范工程，完成现场试验并进行效益分析。同时在河北工业大学土木工程试验室工程上进行应用研究。实践结果表明：HRB500高强度钢筋在工程中的推广应用具有显著的经济及社会效益，其应用前景广阔。
HRB500steel bar is a kind of high strength and strong ductility steel bar. It has a number ofadvantages, such as saving energy and reducing the material consumption. It has been widelyused in developed countries. It has been taken in by Code for design of concretestructures(GB50010-2010). However, the concrete beam with HRB500high strength steel barsmay appear oversized cracks, which can not satisfy the requirement for applicability anddurability. Therefore, it is very meaningful to research the structure with HRB500high strengthsteel bars.
The flexural specimens and shear specimens with HRB500high strength steel bars werecarried out. The bearing capacity, failure pattern, crack width and deformation of concrete beamsreinforced with HRB500high strength steel bar were analyzed. Furthermore, comparativeexperimental research on8flexural members added polypropylene fibers was carried out inorder to research the bending capacity, deformation and crack width of beams reinforced bypolypropylene fiber. It is shown that concrete beams reinforced with HRB500high strength steelbar can work well as the common reinforced concrete beams. The bending capacity, shearcapacity, deformation and crack width of polypropylene fiber concrete beams reinforced withhigh strength steel bar can still be calculated according to GB50010-2010and GB50010-2002.Such method as adding polypropylene fiber can enhance anti-crack performance of specimensand reduce the crack spacing and crack width to meet the limits of the maximum crack width.
Comparative analysis of reliability based on crack width in serviceability limit statebetween reinforced concrete with HRB500reinforcements and members reinforced bypolypropylene fibers. The analysis results indicate that reliability indexs based on crack width inserviceability limit state of reinforced concrete with HRB500reinforcements is low andreliability index of the others is promoted with polypropylene fibers.
Adopting the finite element method to analyze the polypropylene fibers reinforced concretebeam was the further studied. The3-D finite element model was established and nonlinear finiteelement method was used to analyze the mechanical process of polypropylene fibers concrete beam.The numerical results of ultimate montion, load-deflection curve and load-steel stresscurve showed good agreement with the experimental results. It is indicates that nonlinear finiteelement method can effectively simulate the flexural polypropylene fibers concrete beam.
Based on the experiment of beams with HRB500high strength steel bars, it has beenapplied to engineering practice. The demonstration project of Hebei province constructionservice center were built up and filed test and economical benefits analysis were done. TheHRB500steel bars are applied in foundation project of school of Civil Engineering HebeiUniversity of Technology. It is shown that the HRB500steel bar has economic, social benefitsand extremely wide application prospect.
引文
[1]徐有邻.我国混凝土结构用钢筋的现状及发展[J].土木工程学报，1999，32(5):3-9
[2]中华人民共和国国家标准GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
[3]中华人民共和国国家标准GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010
[4]徐有邻，王晓锋.发展高性能材料提高结构安全水平[J].建筑结构,2007，37(3):118-120
[5]Satyarno I. Concrete columns incorporating mixed ultra high and normal Strength Longitudinalreinforcement [D]. New Zealand: Engineering master thesis, Univ. of Canterbury, Christchurch,1993.
[6] Atorod Azizinamini, Sharon S. Baum Kuska, et al. Seismic Behaviors of Square High-Strength ConcreteColumns [J]. ACI Journal Structural,1994,91(3):336-445
[7] El-Hacha, R. and Rizkalla, S. Fundamental Material Properties of MMFX Steel Rebars[D]. NCSU-CFLReport No.02-04, Constructed Facilities Laboratory (CFL), North Carolina State University, Raleigh, NC,2002
[8]Apostolopoulos.Ch.Alk of Mechanical behavior of corroded reinforcing steel bars S500s tempcore underlow cycle fatigue [D]. Construction&Building Materials,2007,21(7)：1447-1456.
[9]Apostolopoulos.Ch.Alk of Use of quality indices in comparison of corroded technical steel bars B500c andS500s on their mechanical performance basis [D]. Construction&Building Materials,2008,22(12),2325-2334
[10]Abdalla, J.A., Hawileh, R.A., Oudah, F., Abdelrahman. K of Energy-based prediction of low-cycle fatiguelife of BS460B and BS B500B steel bars [D].Materials&Design,2009,30(10),4405-4413
[11]钱伟,吴军,刘立新.500级螺旋肋钢筋混凝土构件受弯性能试验研究[J].郑州工业大学学报，2000，21(1)：69-71
[12]王全凤,刘凤谊,杨勇新.HRB500级钢筋混凝土连续梁抗弯试验研究[J].华侨大学学报，2007，28(3)：300-303
[13]沈宇. HRB500级钢筋混凝土板受弯性能的试验研究与有限元分析［D］.长沙：湖南大学土木工程学院，2007
[14]徐凤波. HRB500级钢筋混凝土梁正截面受力性能试验及理论研究［D］.长沙：湖南大学土木工程学院，2007
[15]于秋波. HRB500级钢筋部分预应力混凝土梁受力性能研究［D］.郑州：郑州大学土木工程学院，2008
[16]中华人民共和国国家标准GB1499-1998.钢筋混凝土用热轧带肋钢筋[S].北京：中国标准出版社，2002
[17]CEB-FIP Model Code1990[S], Design Code.1991
[18]姚振钢，刘祖华.建筑结构试验[M].上海：同济大学出版社，1996
[19]中华人民共和国国家标准GB50152-92.混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1992
[20]董春敏.均布荷载下高强钢筋混凝土梁抗剪性能研究.[D].天津：天津大学，2003
[21]李艳艳.配置500MPa钢筋的混凝土梁受力性能的试验研究[D].天津：天津大学，2007
[22]王铁成,李艳艳,戎贤.配置500MPa钢筋的混凝土梁受弯性能试验[J].天津大学学报,2007，40（5）：507-511
[23]谭品峰.集中荷载作用下高强钢筋混凝土梁抗剪性能研究[D].天津：天津大学，2003
[24]王培军.高强箍筋混凝土简支梁斜裂缝宽度的试验研究[D].天津：天津大学，2000
[25]李艳艳,戎贤,皮凤梅,乔金丽.高强箍筋混凝土梁的受剪性能[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,(8):67-70
[26]王新宁.HRB400钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究及有限元分析[D].天津：天津大学，2003
[27]王全凤，刘凤谊，杨勇新.HRB500级钢筋混凝土简支梁受弯试验[J].华侨大学学报，2007，3(28):300-303
[28]戎贤,李强,李艳艳.配置HRB500级钢筋的聚丙烯纤维混凝土梁受弯性能试验研究[J].混凝土,2010,(3):123-126
[29]张艇.HRB500级钢筋混凝土梁受力性能的试验研究[D].郑州：郑州大学，2004
[30]莫小宁.高强钢筋混凝土梁受剪性能研究D］.天津：天津大学建筑工程学院，2008
[31]丁振坤,邱洪兴等. HRB500级钢筋混凝土梁受弯刚度试验[J].建筑科学与工程学报,2009
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[33]蔡中民.混凝土结构试验与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2005
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[37]金琰，苏幼坡，康谷贻.斜裂缝宽度计算及新规范受剪承载力能否满足斜裂缝宽度的讨论[J].建筑结构，2003，33(1):12-14
[38]郦世平，杨博铭.粘结在钢筋混凝土构件裂缝控制中的重要意义[D].工程建设与设计，1999
[39]聂建国，沈菊敏.钢筋混凝土梁的斜裂缝宽度[D].建筑结构,1994,(6):33-36.
[40]蒋宁辉，姜永生，陈德文.配有高强钢筋的高强混凝土梁抗裂与裂缝宽度验算[D].建筑结构，1998
[41]李艳艳,崔武文,戎贤.高强钢筋混凝土梁裂缝控制试验研究[J].混凝土,2011,(5):132-135
[42]倪玉山.混凝土细观结构断裂的分形分析[J].大连理工大学学报,1997
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[44]周瑞忠.混凝土结构裂纹尖端应力场奇异性的分形力学意义[J].大连理工大学学报,1997
[45]戎贤.高强钢筋混凝土构件裂缝控制试验研究及有限元分析[D].天津：天津大学，2005
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[48]建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社，2001
[49]赵羽习，金伟良.正常使用极限状态下混凝土结构构件可靠度的分析方法[J].浙江大学学报工学版，2002
[50]史志华.关于混凝土结构构件正常使用极限状态可靠度指标的研究[M].中国建筑科学研究院研究所，1998
[51]余沛.中心点法在钢筋混凝土构件可靠度计算分析中的应用[J].重庆交通学报学报，1998
[52]刘言凤.钢筋混凝土梁的灵敏度分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学土木工程学院，2007
[53]赵羽习,金伟良.混凝土构件正常使用极限状态的可靠度计算[J].工业建筑，2002，32（5）：60-61
[54]邵卓民，沈文都，徐有邻.钢筋混凝土的锚固可靠度及锚固设计[J].建筑结构，1987，（4）：36-39
[55]刘明，黄承逵，程云.灌孔混凝土与钢筋粘结应力分布的试验研究[J].辽宁工程技术大学学报.2006，25(5):705-707
[56]史志华，陈基发等.钢筋混凝土结构构件正常使用极限状态可靠度的研究[J].建筑科学，2000，16（6）：4-11
[57]R.M.Main.Measurement of the Distribution of Tensile and Bond stresses along Reinforcing bars[J]. ACIJoural，1951，48(3):225-252
[58]C.Ouyang,E.Wollrab S.M.Kulkarni and S.P.Shah.Prediction of Cracking Response of Reinforced ConcreteTensile Members [J], Journal of Structural Engineering,1997,123(1):70～78
[59]Kamel BEN Amara.Griffith Energy Balance Model for Crack-Growth Prediction in Reinforced Concrete[J].Journal of Engineering Mechanics,1996
[60]赵国藩，李树瑶，廖婉卿.钢筋混凝土结构的裂缝控制[M].北京：海洋出版社，1991
[61]金琰.集中荷载作用下高强箍筋混凝土简支梁斜裂缝宽度及受剪承载力试验研究[D].天津：天津大学，2000
[62]胡飞玲.聚丙烯纤维混凝土梁的试验分析[D].浙江：浙江大学，2004
[2]中华人民共和国国家标准GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
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