500MPa级钢筋混凝土受压构件受力性能研究

论文摘要

混凝土结构是我国目前应用最广泛的建筑结构形式。但与国外相比,我国混凝土结构用钢筋的强度普遍低1～2个等级,直接造成构件配筋密集,施工困难,钢筋用量过大,相应能源和资源消耗偏高,与我国目前提倡的“可持续发展战略”背道而驰。近年来,我国冶金行业通过添加钒等微合金元素,新开发出了强度标准值为500MPa的热轧HRB500级钢筋,并又通过控温控轧技术,开发出不添加或少添加微量元素的500MPa级超细晶粒钢筋。其中HRB500级钢筋已列入我国《混凝土结构用钢筋标准》（GB1499-1998）,但由于缺乏全面系统的科研工作,尤其基础性试验研究严重不足,《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）尚未列入500MPa级钢筋,直接影响了500MPa级钢筋在实际工程中的推广应用。本文针对500MPa级钢筋在受压构件中的应用,共进行了32个轴心受压和9个偏心受压500MPa级钢筋混凝土柱受力性能的试验研究,根据试验结果进行了轴压柱的混凝土应力应变曲线分析和偏压柱的数值模拟,提出了500MPa级钢筋用于混凝土结构受压构件的设计建议,并依据上述建议进行了HRB500级钢筋的试点工程应用分析。主要内容如下:1.通过500MPa级钢筋混凝土轴压柱试验,分析了混凝土强度、纵向钢筋配筋率、配箍情况和纵筋强度对轴压受力变形性能的影响,探讨了混凝土强度和纵筋配筋率与混凝土受压峰值应变和峰值应力的变化规律,研究表明:①随着混凝土强度、纵筋配筋率和箍筋体积配箍率的提高,轴压柱的混凝土峰值应变均有明显增大并可超过0.002,在常用的受压构件纵筋配筋率范围内以及规范构造配箍条件下,混凝土峰值压应变在0.0022～0.0026之间,500MPa级钢筋在受压构件中能充分发挥其抗压强度;②当钢筋和混凝土强度分别取实测平均值（fy约为524MPa）和标准值时,根据现行规范公式对轴压承载力进行了计算分析,试验值与计算值之比分别为1.08和1.24,计算结果偏于安全,具有一定的安全储备。2.根据对轴压柱混凝土应力应变曲线的试验结果,通过对曲线特征点的分析和对规范附录C混凝土受压应力应变曲线的改进,提出了综合考虑纵筋和配箍影响的混凝土峰值压应力和峰值压应变的计算公式和应力应变曲线方程,计算结果与试验结果符合较好,可作为混凝土结构和构件非线性分析的参考。3.通过500MPa级钢筋混凝土偏压柱试验,分析了偏心距和纵筋配筋率对偏压柱侧向挠度、受压边缘混凝土应变和纵向钢筋应变的影响,其受力性能与普通钢筋混凝土偏压柱一致,当钢筋和混凝土强度取实测平均值（fy约为516MPa）时,按我国现行规范公式计算偏压柱承载力,试验值与计算值之比为1.18,计算结果偏于安全,具有一定的安全储备。4.在偏压柱试验研究的基础上,编写了基于Matlab的偏压柱非线性分析程序,进行了纵筋分别采用500MPa级和HRB335级钢筋的偏压柱数值模拟试验,分析了偏心距、长细比、混凝土强度和纵筋配筋率对二阶效应影响,并与中国、美国和欧洲规范公式计算结果进行了对比分析,研究表明:500MPa级钢筋混凝土偏压柱的二阶效应变化规律与普通钢筋混凝土柱相同,中国、美国和欧洲规范的二阶效应公式计算结果与模拟试验结果基本一致,500MPa级钢筋混凝土偏压柱二阶效应可采用我国现行规范公式进行计算,且与采用HRB335级钢筋的偏压柱具有大致相同的安全度。5.基于上述试验研究和分析,提出了500MPa级钢筋用于受压构件的设计强度取值（fy=fyk/rs=500/1.1≈450MPa）和设计建议,进行了国内首个采用HRB500钢筋的试点工程的设计,并与采用HRB335和HRB400钢筋的用量进行了对比分析,研究表明:①采用500MPa级高强钢筋替代传统钢筋在一定条件下可明显减少钢筋用量,可改善目前框架结构中梁、柱节点和框架柱中钢筋拥挤的现象,提高工程质量,取得较好的社会经济效益;②在工程结构中要更为有效地推广应用500MPa级钢筋,还应改进和完善现行规范裂缝宽度和最小配筋率的计算方法或规定,为500MPa级高强钢筋列入我国《混凝土结构设计规范》提供了工程依据。本文的研究得到了国家自然科学基金（项目批准号:50578148）和国家863计划（项目编号:2004AA33G050）的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.1.1 建筑业钢筋和混凝土的应用现状
• 1.1.2 建筑业可持续发展的要求
• 1.1.3 我国500MPa级高强钢筋的研究
• 1.2 混凝土结构中受压构件的研究概况
• 1.2.1 受压构件的分类和主要研究内容
• 1.2.2 普通钢筋混凝土柱的研究现状
• 1.2.3 钢筋混凝土受压钢筋的研究方法和手段
• 1.3 高强钢筋在混凝土结构中应用的研究概况
• 1.3.1 国外高强钢筋在混凝土结构中应用的研究现状
• 1.3.2 国内高强钢筋在混凝土结构中应用的研究现状
• 1.4 研究中存在的问题
• 1.5 本文研究的主要内容
• 参考文献
• 第2章 500MPa级钢筋混凝土柱轴压性能试验研究
• 2.1 轴压短柱试验方案
• 2.1.1 试验参数和试件设计
• 2.1.2 试验装置和试验方法
• 2.1.3 加载制度和量测方案
• 2.1.4 钢筋和混凝土的力学性能和强度指标
• 2.2 轴压试验现象和试验结果
• 2.2.1 轴压柱的加载破坏过程
• 2.2.2 轴压破坏形态
• 2.2.3 轴压破坏机理
• 2.2.4 试件的实际参数和试验结果
• 2.3 轴压试验结果分析
• 2.3.1 轴压柱的受力变形性能
• 2.3.2 混凝土的受压峰值应变
• 2.3.3 混凝土的受压峰值应力
• 2.4 轴压短柱的承载力计算分析
• 2.4.1 轴压承载力试验结果分析
• 2.4.2 轴压柱承载力的计算
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 轴压柱的混凝土受压应力应变曲线研究
• 3.1 轴压柱混凝土受压峰值应力和峰值应变
• 3.1.1 混凝土峰值压应变的计算
• 3.1.2 混凝土峰值压应力的计算
• 3.2 轴压柱混凝土受压应力应变曲线
• 3.2.1 轴压柱实测混凝土应力应变曲线比较
• 3.2.2 考虑配筋影响的轴压柱混凝土应力应变全曲线
• 3.3 混凝土受压应力应变曲线模型及其应用
• 3.3.1 混凝土的应力应变曲线模型
• 3.3.2 计算结果与试验结果的比较
• 3.3.3 本文建议混凝土受压应力应变曲线的应用
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 500MPa级钢筋混凝土偏压柱受力性能研究
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 试件概况
• 4.1.2 试验加载和量测方案
• 4.2 试验现象和试验结果
• 4.2.1 试验现象
• 4.2.2 试验结果
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 偏压柱的侧向挠曲线
• 4.3.2 跨中侧向挠度
• 4.3.3 受压边缘混凝土应变
• 4.3.4 纵向钢筋应变
• 4.4 500MPa级钢筋混凝土偏压柱的计算
• 4.4.1 偏压构件承载力计算公式
• 4.4.2 计算结果与试验结果的比较
• 4.5 规范公式计算的相关问题
• 4.5.1 大小偏压破坏的判别
• min'>4.5.2 保证受压钢筋屈服的 X_min
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 500MPa级钢筋混凝土偏压柱数值分析
• 5.1 钢筋混凝土偏压柱的数值分析方法
• 5.1.1 钢筋混凝土偏压柱的截面分析
• 5.1.2 钢筋混凝土偏压柱的荷载挠度关系分析
• 5.2 偏压柱计算实例
• 5.3 偏压长柱模拟试验概况
• 5.3.1 模拟试验参数的选择
• 5.3.2 试件概况
• 5.3.3 模拟试验结果
• 5.4 模拟试验结果分析
• 5.5 长柱二阶效应的计算
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 500MPa级钢筋混凝土受压构件设计建议及工程应用
• 6.1 500MPa级钢筋用于混凝土受压构件的设计建议
• 6.2 HRB500钢筋工程应用实例
• 6.2.1 HRB500钢筋工程应用建议
• 6.2.2 HRB500钢筋试点工程概况
• 6.3 HRB500钢筋试点工程计算结果分析
• 6.3.1 试点工程钢筋用量分析
• 6.3.2 关于裂缝宽度计算的讨论
• 6.3.3 关于最小配筋率的讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 尚待解决的问题及进一步研究工作的展望
• 附录 500MPa级钢筋的力学性能试验结果
• 致谢
• 发表学术论文及参加科研项目