400,MPa,级钢筋混凝土轴拉构件裂缝宽度与钢筋应力关系试验研究
时间：2023-06-16 11:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李平先，韩 冲，李金昌，王 锟
（郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001）
裂缝是影响混凝土耐久性的主要因素之一。
对钢筋混凝土杆件体系的裂缝控制，国内外的混凝土结构设计规范均有相应的计算方法或控制措施，但缺少对非杆件体系混凝土结构的裂缝控制规定。
为此，《水工混凝土结构设计规范》［1-2］提出对非杆件体系混凝土结构采用控制钢筋应力来间接控制裂缝宽度，一般情况下受拉钢筋应力σsk＝（0.5 ～0.7）fyk，对环境条件好的取大值，对环境条件差的取小值。
笔者曾对335 MPa 级钢筋混凝土轴心受拉构件进行了试验，研究钢筋混凝土的有效受拉截面面积和裂缝开展宽度与钢筋应力之间的关系，为上述非杆件体系混凝土结构的裂缝控制提供试验依据［3］。
国内有关学者对轴心受拉构件进行试验后曾指出杆件横截面上混凝土的应变在钢筋处最大、远离钢筋则减小［4-6］，即存在有效约束区。
随着钢筋使用等级的提高，其工作应力增大，裂缝宽度必然增大，是否满足使用要求有待研究。
因此，笔者通过对27 根配置HRB400E 钢筋的构件进行了轴心受拉试验，进一步研究荷载作用下裂缝宽度与钢筋应力的关系。
1.1 构件设计与制作
设计并制作了3 组（编号为 HC1、HC2、HC3）正方形钢筋混凝土轴心受拉构件，截面采用正方形， 每组构件的截面尺寸和配筋均相同，表1 为HC1 组构件的截面尺寸（混凝土保护层厚度）和配筋，钢筋均采用HRB400E 钢筋，钢筋实测力学性能指标见表2（混凝土强度设计等级为C30）。
图1 为构件HC1-6 的几何尺寸。
图1 试件几何尺寸（单位：mm）
表1 试件的设计参数
表2 钢筋力学性能指标
1.2 试验加载及测量
1.2.1 试验加载
试验采用轴心受拉方式加载，在WAW-1000 型万能试验机上进行，加载装置见图2。
按照《混凝土结构试验方法标准》［7］的要求采用逐级单调静力方式加载，每级荷载按极限荷载的1／10 控制，即按照0.1F、0.2F、…、1.0F（F为构件中钢筋屈服时对应的拉力）加载。
图2 加载装置示意
1.2.2 测量内容及方法
试验过程中，对开裂荷载、裂缝间距、最大裂缝宽度以及混凝土轴向应变进行量测。
在构件的两相对面（避开非光滑的浇筑面）各均匀布置5 个应变片（见图3），采用DH3816N 静态应变仪采集试验数据，研究混凝土应变变化，以确定混凝土受拉影响范围和有效受拉面积。
裂缝宽度的量测采用刻度为0.02 mm 的50倍KON-FK（N）裂缝宽度检测仪，记录并描绘裂缝开展图。
图3 应变片布置
2.1 试验现象
（1）当混凝土的拉应力达到混凝土的抗拉强度时，裂缝会突然出现，并伴随“砰”的一声响，裂缝界面十分清晰、整齐，其位置具有随机性。
试验中一般当钢筋拉力为（0.4～0.5）F时混凝土开裂。
（2）混凝土开裂后，各个构件上裂缝出现的位置、裂缝形态及发展过程、裂缝的宽度与数量不完全相同，有的构件开裂裂缝贯穿四面，有的构件仅在构件的一面、二面或三面出现裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐扩展贯通。
（3）当钢筋拉力为（0.7 ～0.8）F时，裂缝条数达到稳定，随着拉力的增加不再出现新的裂缝，而裂缝宽度逐渐增大。
2.2 破坏特征及裂缝分布
所有构件均以钢筋受拉屈服为破坏标志，在27 根试验构件中，有18 根构件出现裂缝；
裂缝的条数为1～4 条不等，其中有1 根构件出现4 条裂缝、5 根构件出现3 条裂缝、10 根构件出现 2 条裂缝、2 根构件出现1 条裂缝（贯穿性裂缝33 条，非贯穿性裂缝8 条，构件裂缝展开图见图4 ～图6）；
另有9 根构件混凝土受拉面积较大直至钢筋屈服也未出现裂缝。
图4 构件HC1 裂缝展开
图6 构件HC3 裂缝展开
图5 构件HC2 裂缝展开
2.3 平均裂缝间距
现行国标《混凝土结构设计规范（2015 版）》［8］（GB 50010—2010）中平均裂缝间距计算公式为
式中：cs为最外层受拉纵筋外边缘至受拉区混凝土边缘的距离；
ρte为有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；
deq为受拉区纵向钢筋的等效直径。
图7 平均裂缝间距计算值与实测值对比
2.4 短期平均裂缝宽度
在试验过程中，对开裂后施加各级荷载下构件每个侧面标定位置的裂缝宽度及最大裂缝宽度进行了测量和记录。
将构件4 个侧面每条裂缝在钢筋位置处裂缝宽度的平均值作为平均裂缝宽度，在正常使用荷载下，对钢筋应力在160～360 MPa 范围内构件平均裂缝宽度进行统计，平均值为，按国标得出计算值，其与实测值对比见图 8。均值为1.296、均方差为0.410 3，由此可见，国标给出的计算公式有较大的裕度，配置HRB400E 钢筋的混凝土梁的试验结果也有相同的结论［9-12］。
图8 平均裂缝宽度计算值与实测值对比
2.5 短期最大裂缝宽度
将试验测得的各构件的每条裂缝的最大裂缝宽度与按国标得出的计算值进行对比，见图9。
实测最大裂缝宽度基本上小于国标给出的裂缝宽度限值。
图9 最大裂缝宽度计算值与实测值对比
本文将试验测得的各级荷载下钢筋混凝土构件的2 938 条裂缝宽度试验值进行数理统计，并将每条裂缝宽度的测量值与其相对应的裂缝宽度平均值的比值作为横坐标，绘制出频率直方图，见图10。
图10 频率分布直方
式中：μ为均值；
σ为均方差。
由式（2）得到短期裂缝宽度扩大系数为1.89，与国标中的短期裂缝宽度扩大系数τs（取1.90）接近。
2.6 钢筋应力与裂缝宽度的关系
根据对钢筋位置处混凝土表面裂缝宽度的实测结果，将构件HC1-5 与构件HC2-5 的短期最大裂缝宽度以及 《混凝土结构设计规范（2015 版）》 （GB 50010—2010）和《水工混凝土结构设计规范》（DL／T 5057—2009）规定的短期最大裂缝宽度与钢筋应力关系绘于图11 中。
图11 短期最大裂缝宽度与钢筋应力的关系
从图11 中可以看出短期最大裂缝宽度与钢筋应力基本成线性关系。
裂缝位置处混凝土不再承受拉力，拉应力全部由钢筋承担，随着荷载的增加，钢筋应力与应变在持续增大，且裂缝位置处钢筋应力增幅最大，裂缝宽度增大较快，特别在受拉钢筋接近屈服时，裂缝宽度会迅速增大。
在构件的裂缝条数保持不变情况下，裂缝宽度随着钢筋应力的增加基本成线性增长。另外，规范计算值明显大于试验实测值。
（1）试验的轴心受拉构件，随着荷载增加，钢筋应力增大，平均裂缝宽度呈增大趋势，在钢筋接近屈服时裂缝宽度会快速增大。
在构件的裂缝条数保持不变情况下，裂缝宽度随着钢筋应力的增加基本成线性增长。
（2）平均裂缝间距、短期平均裂缝宽度以及短期最大裂缝宽度实测值均小于相应钢筋应力下国标《混凝土结构设计规范（2015 版）》（GB 50010—2010）的计算值。
（3）根据本次试验测得的裂缝宽度值，经统计具有95%保证率的短期裂缝宽度扩大系数为1.89。
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