高強(qiáng)鋼筋在橋梁工程中的應(yīng)用與效益分析研究

林若云

(江西省港航造價(jià)咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

0 引 言

近年來我國(guó)城市化規(guī)模持續(xù)的在擴(kuò)大，建筑業(yè)、交通業(yè)等得到飛躍的發(fā)展，建筑業(yè)的建筑技術(shù)也在不斷革新，新的建筑技術(shù)和新型復(fù)雜建筑物的出現(xiàn)，對(duì)建筑物中材料的性能越來越高，研究發(fā)現(xiàn)以往工程中所采用的低強(qiáng)度鋼筋存在浪費(fèi)資源的現(xiàn)象，為此為解決材料性能問題，高強(qiáng)度的鋼筋被加入到了新的設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，低級(jí)別的鋼筋逐漸被取代。

根據(jù)相關(guān)的研究表明[1]，如果將我國(guó)現(xiàn)在已建的建筑物中的鋼筋改為HRB400或HRB500等級(jí)的鋼筋，可以節(jié)約鋼材量可達(dá)到30%左右。另外由于現(xiàn)在建筑技術(shù)的發(fā)展、建筑物的復(fù)雜程度提高、節(jié)能減排政策的要求都使高強(qiáng)度鋼筋成為歷史的必須選擇[2],研究學(xué)者們對(duì)配置了高強(qiáng)鋼筋的構(gòu)件也進(jìn)行了相關(guān)的研究，其中有李強(qiáng)[3]對(duì)混凝土梁中配置HRB500鋼筋并在混凝土中摻入聚丙烯纖維的構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)該構(gòu)件的受壓性能有了明顯的提高；李艷艷等人[4]對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的混凝土梁裂縫進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明采用高強(qiáng)的鋼筋后梁裂縫的出現(xiàn)時(shí)間變的較長(zhǎng)；周布奎等人[5]對(duì)高性能的混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用了高性能鋼筋可以提高混凝土梁的受彎能力；徐風(fēng)波[6]對(duì)HRB500級(jí)鋼筋混凝土梁的正截面受力性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：采用高強(qiáng)鋼筋制作的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正截面承載力、撓度、最大裂縫寬度均能夠滿足規(guī)范要求。

目前的研究大多在對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的梁柱構(gòu)件研究，對(duì)橋梁工程高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用研究較少，為此為研究高強(qiáng)鋼筋在橋梁工程中的應(yīng)用，通過對(duì)實(shí)際工程中配置高強(qiáng)鋼筋的橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)與理論值進(jìn)行對(duì)比分析并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，希望此研究能為行業(yè)的發(fā)展提高摻量?jī)r(jià)值。

1 試件試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件制作

為探究HRB500級(jí)鋼筋的性能，對(duì)配有HRB500級(jí)鋼筋的混凝土梁進(jìn)行基本的力學(xué)性能試驗(yàn)，觀察試件的受力性能、裂縫的發(fā)展規(guī)律及梁擾度。本文采用縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，試件的尺寸為寬度為200 mm，高度為400 mm，長(zhǎng)度為3 500 mm的簡(jiǎn)支梁，并且為對(duì)比高強(qiáng)鋼筋直徑對(duì)性能的影響，分別制作梁底鋼筋不同的試件，其中L1的底筋L3為3根18(四級(jí)鋼)、頂筋均采用2根14(四級(jí)鋼)，箍筋為8@150(三級(jí)鋼)。簡(jiǎn)支梁的混凝土強(qiáng)度為C30，在試驗(yàn)的過程中留置150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，對(duì)鋼筋的屈服強(qiáng)度、拉伸率及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼筋的基本力學(xué)性能及混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

1.2 試驗(yàn)加載裝置及加載步驟

研究的試件是簡(jiǎn)支梁的正截面抗彎試驗(yàn)[7]，因此在試驗(yàn)按正常的簡(jiǎn)支梁破壞試驗(yàn)進(jìn)行；在試驗(yàn)的過程中為得到可靠的數(shù)據(jù)，在梁底的鋼筋上粘貼應(yīng)變片，在混凝土沿高度方案布置混凝土應(yīng)變片；同時(shí)為了能對(duì)量的擾度進(jìn)行具體的分析，在梁底及梁面的兩端布置百分表；對(duì)加載過程中裂縫的發(fā)展情況分析通過在梁面上繪制30 mm×30 mm的方格網(wǎng)進(jìn)行觀察記錄。

試驗(yàn)加載的時(shí)候采用分級(jí)加載的方法進(jìn)行加載，在加載之前先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載的荷載值設(shè)置為20 kN，待預(yù)加載結(jié)束后進(jìn)行正式分級(jí)加載，每級(jí)加載的荷載值為試件開裂荷載的20%，當(dāng)加載的荷載值達(dá)到開裂荷載的90%時(shí)，每級(jí)加載的荷載值為開裂的5%進(jìn)行遞增，直到試件破壞停止加載，隨后進(jìn)行分級(jí)卸載。加載的過程中每增加一級(jí)荷載時(shí)均應(yīng)持荷10 min進(jìn)行觀察試件的擾度及裂縫等變化情況。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)配置的高強(qiáng)鋼筋的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行破壞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其整體的破壞過程與一般的簡(jiǎn)支梁破壞過程相似，一個(gè)可以分為三個(gè)階段，第一階段為彈性工作階段，此階段的試件混凝土為開裂，鋼筋與混凝土的應(yīng)變均較小，隨著荷載的不斷增加，出現(xiàn)帶裂縫工作階段，該階段混凝土出現(xiàn)裂縫，內(nèi)部鋼筋應(yīng)力逐漸增大，構(gòu)件的擾度增大，同時(shí)由于該階段荷載的不斷增加，裂縫的發(fā)展迅速，裂縫寬度不斷增大，長(zhǎng)度加大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的90%時(shí)，鋼筋達(dá)到屈服，隨后荷載繼續(xù)增加，構(gòu)件的擾度及裂縫發(fā)展急劇增長(zhǎng)，出現(xiàn)塑性變形，隨后鋼筋被拉斷，混凝土試件破壞。通過對(duì)試驗(yàn)過程中的裂縫進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的第一條裂縫出現(xiàn)在純彎段，隨后隨著荷載的增加，在構(gòu)件表明出現(xiàn)多條細(xì)小的裂縫，并且裂縫的寬度及長(zhǎng)度隨荷載的增加而增大，當(dāng)構(gòu)件破壞時(shí)，在構(gòu)件的表面存在一條主裂縫。從整體來看配置高強(qiáng)鋼筋的混凝土試件裂縫的發(fā)展呈穩(wěn)定狀態(tài)，與普通鋼筋的混凝土試件相似，最終的破壞形態(tài)也相似。

2 工程概況

本工程為城市高架橋，公路為一級(jí)公路，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所研究的橋段上部為現(xiàn)澆板，板的長(zhǎng)度為10 m，計(jì)算的跨度為9.5 m，板的高度為65 m，頂板的寬度為142.5 m，底板寬度為102.5 m，橋梁本身結(jié)構(gòu)采用C40強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，路面鋪設(shè)0.1 m厚的瀝青混凝土，在橋梁的左副受拉鋼筋為HRB400，右幅受拉鋼筋為HRB500。本文取用于橋梁工程中HRB500鋼筋進(jìn)行性能的測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 HRB500鋼筋的性能

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)荷載計(jì)算

在實(shí)際工程中的性能，對(duì)橋梁工程左右兩幅配置不同鋼筋的橋梁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，主要是對(duì)橋梁鋼筋的應(yīng)力、混凝土的應(yīng)力及橋梁的擾度進(jìn)行對(duì)比分析。在試驗(yàn)前將橋梁劃分為等長(zhǎng)的7段。

針對(duì)上述的工程概況對(duì)橋梁所受的荷載進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表2所示。

表2 橋梁受荷計(jì)算

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載方式

在本次計(jì)算中以1.3倍的活荷載分項(xiàng)系數(shù)為基準(zhǔn)，在試驗(yàn)過程中采用車輛來進(jìn)行加載，車子的重量為47 t。本次的加載分三次加載，三輛車分別從研究的位置從近到遠(yuǎn)開進(jìn)加載位置，用車輛的停滯時(shí)間來模擬加載后的間歇時(shí)間，當(dāng)加載完成后按之前的方式進(jìn)行卸載，最后對(duì)在橋梁鋼筋中、混凝土中及橋梁底布置分應(yīng)變片及傳感器進(jìn)行讀數(shù)。

3.3 測(cè)定點(diǎn)的布置

(1)混凝土應(yīng)變片的布置

本次試驗(yàn)混凝土應(yīng)變片的布置主要布置在橋梁的底部等間距排列，主要是布置在跨中，因?yàn)樵诳缰械膹澗刈兓顬槊黠@。

(2)鋼筋應(yīng)變片的布置

本次試驗(yàn)鋼筋應(yīng)變片的布置主要布置在橋梁跨中橫向受力鋼筋上，因?yàn)榇送獾匿摻钍芰ψ畲蟆?/p>

(3)位移計(jì)的布置

本次試驗(yàn)位移計(jì)的布置主要布置在橋梁的底部等間距排列，主要是布置在跨中，因?yàn)樵诳缰械膹澗刈兓顬槊黠@。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過上述的測(cè)試點(diǎn)測(cè)得在47 t行車荷載加載后的結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)處理，繪制下列表格。

從表3的測(cè)試結(jié)果中可以看出，對(duì)于兩幅橋梁的混凝土應(yīng)力值相差不是很大，兩者的差值在2 MPa，但配置了HRB500鋼筋的橋梁其鋼筋的應(yīng)力值明顯比配置HRB400鋼筋的橋梁大很多，說明其受力更大，應(yīng)用的效率也更高，從位移計(jì)的測(cè)得數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，配置HRB500鋼筋的橋梁幾乎不發(fā)生彎曲變形，而配置HRB400鋼筋的橋梁其擾度值約為配置HRB500橋梁的4.09倍。將測(cè)量的結(jié)果與計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量的應(yīng)力均未達(dá)到計(jì)算的允許應(yīng)力，說明結(jié)果安全，但從整體上來看配置HRB500鋼筋的橋梁更具有足夠的安全儲(chǔ)備。

表3 測(cè)試的結(jié)果對(duì)比表

3.5 效益分析

從上述的研究發(fā)現(xiàn)，采用高強(qiáng)度的鋼筋能夠給結(jié)構(gòu)帶來更大的安全可靠性，同時(shí)還能節(jié)約材料，在本工程中經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)配置HRB500鋼筋的橋梁所用的鋼材比配置HRB400鋼筋的橋梁約減少850 kg，約占總的受力鋼筋的14%；從社會(huì)的效益角度出發(fā)，其鋼材的節(jié)省的同時(shí)也對(duì)環(huán)境起到了保護(hù)的作用，因?yàn)槲覀冊(cè)谏a(chǎn)鋼筋的時(shí)候不可避免的會(huì)產(chǎn)生其他行業(yè)，例如煤礦業(yè)、礦石產(chǎn)業(yè)等，本文經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)采用HRB500的橋梁可以節(jié)約鐵礦石約1.4 t，可以節(jié)約煤礦約0.6 t，節(jié)約鋼材的同時(shí)也在節(jié)約對(duì)這些資源的開采，同時(shí)還能較少對(duì)環(huán)境的污染，滿足國(guó)家的節(jié)能減排方針戰(zhàn)略，因此隨著我們經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及建筑業(yè)技術(shù)的革新，高強(qiáng)鋼筋的使用值得我們推廣。

4 結(jié) 論

由于目前對(duì)橋梁工程高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用研究較少，因此通過對(duì)實(shí)際工程中配置高強(qiáng)鋼筋的橋梁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，并對(duì)應(yīng)用后的效益進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：配置HRB500鋼筋的結(jié)構(gòu)不僅能夠較少鋼材還能提高構(gòu)件中鋼筋及混凝土的使用效率，此外還能使結(jié)構(gòu)擁有更大的安全儲(chǔ)備，隨著我們經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及建筑業(yè)技術(shù)的革新，高強(qiáng)鋼筋的使用值得我們推廣，本文僅對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的橋梁結(jié)構(gòu)主要受力方向進(jìn)行研究，對(duì)于橋梁工程其還受到水平力作用，受力體系相對(duì)來說比較復(fù)雜，因此有關(guān)研究還有待繼續(xù)推進(jìn)。