王洋嵩 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）
0 引言
随着建筑结构向高耸、大跨、重载方向发展，钢筋混凝土结构作为现阶段最主要的结构形式之一，在建筑领域使用较多。作为高强度节能环保材料的高强钢筋，能够大大降低工程成本，带来经济和社会效益[1]。一定程度上降低物流运输和建筑钢筋焊接、加工的工作量[2]。因此，开展高强度钢筋的研发与应用势在必行。
当前，我国工程结构正处于急速变革中，强度为500 MPa 级以下的普通钢筋已经无法满足工程发展的要求，因此迫切需要使用高强钢筋混凝土材料。目前HRB500 级高强钢筋已经纳入《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[3]中，而600 MPa 级以上的热轧高强钢筋仅纳入《钢筋混凝土用钢第2 部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2-2018）[4]中，尚未明确其在构件和结构中的应用规定。这在一定程度上限制了600 MPa 级热轧高强钢筋在实际工程中的推广和应用。为此，部分学者相继对600 MPa 级高强钢筋在结构构件中的受力性能展开了研究，然而当前研究主要集中在构件的轴压[5-7]、偏压[8-10]、抗震性能[11-12]以及高强钢筋的连接锚固性能[13-14]。此外，上述文献研究的600 MPa 级高强钢筋多采用热处理或冷轧工艺加工生产，在性能质量上存在一定缺陷。相比而言，采用热轧工艺生产的高强钢筋，其屈服点和流幅明显，塑性韧性优越，且有良好的可焊性能。但目前对采用600 MPa级以上热轧高强钢筋的混凝土构件受力性能研究较少，极大地限制了其在实际工程中的推广与应用。
本文介绍的新型热轧带肋高强钢筋，是一种通过热轧工艺得到的微合金化建筑金属材料，其屈服强度在635 MPa 以上，具有强度高、延性好、流幅和屈服点明显等显著优势。为研究其在钢筋混凝土梁中的抗弯性能，本文通过ABAQUS 软件，建立热轧高强钢筋混凝土梁受弯有限元分析模型，研究了混凝土强度、配筋率、纵筋强度等参数对其抗弯承载力的影响，研究结论可为其在实际工程中的应用提供参考依据。
1 高强钢筋材料性能
本文介绍的新型高强钢筋是通过热轧成型，并采用控制温度冷却的方式得到的微合金化成品钢筋,具有强度高、流幅和屈服点明显、塑性韧性优越等明显优势。具体的生产工艺及步骤包括顶底复吹转炉冶炼，吹氩、LF 精炼，六机六流方坯连铸，步进梁式加热炉加热，连续棒材轧机成材，冷床自然降温。
通过上述工艺，钢筋断面晶体结构形式均表现为“铁素体+珠光体”，且晶粒细度均为10 级，具备优越和稳定的力学性能。为测定钢筋的材料力学性能，对直径为8～20 mm 的钢筋分别进行母材拉伸试验，测定其极限抗拉强度、屈服强度、弹性模量和断后伸长率。测试结果见表1。
表1 高强钢筋力学性能
试验测试结果表明，本文介绍的新型热轧高强钢筋断后伸长率均大于9%，极限抗拉强度在900 MPa 左右，屈服强度均高于635 MPa，弹性模型在2.0×105MPa 左右。该钢筋强度高、延性好，强屈比均大于1.25，强度储备高，符合建筑用热轧钢筋的性能需求，在实际结构工程中具备良好的应用前景。
2 有限元模型
2.1 概况
新型热轧高强钢筋混凝土梁的抗弯有限元模型如图1 所示。该分析模型主要由混凝土、钢筋笼以及垫块组成。
图1 新型高强钢筋混凝土梁有限元计算模型
2.2 材料本构模型
本文中的高强钢筋混凝土梁所涉及的材料本构为钢筋和混凝土本构，为保证模拟的结果准确，建立合理的混凝土和钢筋的材料本构模型，如下所示。
2.2.1 混凝土本构模型
目前国内常用的混凝土本构关系模型为《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[3]提出的混凝土单轴受压和受拉本构，本构关系曲线如图2所示。
图2 材料本构关系曲线
2.2.2 高强钢筋的本构模型
当前，大多数钢筋本构采用双折线模型，简单实用。然而对于本文高强钢筋的强化和紧缩的材料特性，本文采用Esmaeily-Ghasemabadi 等[16]提出的三线性强化模型，模拟有明显屈服点和流幅的新型高强钢筋力学特性。
2.3 几何模型
2.3.1 单元类型本模型的单元组成主要包括混凝土、高强钢筋和加载/支座垫块，其中加载/支座垫块和混凝土采用实体单元。为防止垫块发生变形，其刚度定义为无穷大。而高强钢筋则采用桁架单元，其材性根据试验结果输入。
2.3.2 单元界面的接触定义
有限元模型中，加载/支座垫块与梁之间的接触采用绑定约束进行模拟。对于纵筋和箍筋则通过内嵌选项，内置于混凝土内部，模拟钢筋与混凝土间的粘结作用。
2.3.3 边界条件及加载方式
模型选用位移加载，在梁上端的加载垫块上表面分别设置参考点1和2，并将参考点与加载垫块端面进行耦合，对参考点施加约束边界条件和竖向位移荷载。为实现真实加载边界条件的转动，对X和Z方向的位移进行限制，保留Y方向位移自由度，同时放开其转角自由度。而对于梁下端的支座垫块的边界条件则需限制其3 个方向的位移自由度，释放其转角自由度，以实现其铰接边界。
3 参数分析
3.1 混凝土强度
分别对混凝土强度等级为C30～C50 的高强钢筋混凝土梁的抗弯性能进行分析，发现当混凝土强度增大时，混凝土梁的极限抗弯承载力和初始刚度会有不同程度的增大。混凝土强度等级为C50的高强钢筋混凝土梁的抗弯承载力比采用混凝土强度等级为C30和C40 的构件（模型B-FE-1 和B-FE-2）分别提高11.03%和5.42%，比混凝土强度等级为C60的梁构件的抗弯承载力降低了1.27%。此外，当混凝土强度较低时，混凝土的受压和受拉的峰值应变均相对较小，由于高强钢筋需与之应变相容，因此高强钢筋的强度不能充分发挥，钢筋和混凝土材料的匹配性较差。同时，研究表明，混凝土强度等级在C50和C60 时，模型的抗弯承载力较为接近，表明C50级以上的混凝土与本文介绍新型高强钢筋具有更好的匹配性，详细结果见图3（a）。
图3 参数分析结果
表2 新型高强钢筋混凝土梁有限元计算结果
3.2 配筋率
为明确配筋率对高强钢筋混凝土梁受弯性能的影响，分别对纵筋配筋率为0.93%（模型B-FE-3）、0.75%（模型BFE-5）和1.33%（模型BFE-6）的梁构件进行了分析。由图3（b）可知，当试件纵筋配筋率发生变化时，混凝土梁的抗弯初始刚度并没有明显的变化，而其抗弯承载力随着纵筋配筋率的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-5 的抗弯承载力提高了15.60%，比模型B-FE-6 的抗弯承载力降低了35.96%。同时，随着纵筋配筋率的提高，混凝土受到钢筋笼良好的约束行为，其变形能力和延性也随之提升。
3.3 横截面面积
分别对截面积为300 mm×600 mm（模型B-FE-3）、350 mm×700 mm（B-FE-7）、250 mm×500 mm（模型B-FE-8）的混凝土梁进行了研究。由图3（c）可知，高强钢筋混凝土梁抗弯承载力随着梁截面尺寸的增大而增大；模型B-FE-3 与模型B-FE-7 相比，抗弯承载力降低了69.52%。模型B-FE-3 与模型B-FE-8 相比，抗弯承载力提高了61.99%。
3.4 纵筋强度
为研究采用新型高强钢筋强度对混凝土梁抗弯承载力的影响，分别研究了采用纵向新型高强钢筋（模型B-FE-3）、HRB500 钢筋（模型B-FE-9）、HRB400 钢筋（模型B-FE-10）的混凝土梁抗弯性能。由图3（d）可知，当纵向钢筋强度发生变化时，对于混凝土梁的弹性刚度并没有明显的变化，而抗弯承载力和挠度变形随着纵向钢筋强度的提高而增大；模型B-FE-3 比模型B-FE-9（fy=500MPa）和模型B-FE-10（fy=400MPa）的抗弯承载力分别提高了18.22%和41.75%。
4 受力分析
4.1 荷载-挠度特征曲线
根据加载过程中新型高强钢筋混凝土梁的受力情况和特点，将其荷载-挠度曲线划分为3 个阶段，分别是弹性阶段（OA 段）、弹塑性阶段（AB 段）和下降段（BC段），如图4所示。
弹性阶段（OA 段）：该阶段荷载-挠度曲线呈线性发展，混凝土以及钢筋在受力上均表现为弹性行为，竖向荷载由高强钢筋和混凝土共同承受，应力沿长度方向均匀分布。
弹塑性阶段（AB 段）：荷载到达A 点之后，曲线斜率逐渐降低。此时，混凝土开始塑性发展，截面中和轴快速上移，混凝土的受压区高度逐步减小，混凝土纵向应力急剧上升，应力呈曲线分布，直至开裂。同时，受拉区钢筋进入塑性阶段，最终在荷载到达B 点时，高强纵筋应力接近其屈服强度，混凝土梁达到峰值抗弯承载力。
下降段（BC 段）：在峰值荷载（B 点）之后，受拉区混凝土退出工作，形成最大裂缝。受压区混凝土达到极限抗压强度，发生压溃现象。混凝土全截面退出工作，荷载由受拉和受压高强钢筋承担，无法维持继续增长的趋势，出现下降情况。
4.2 应力全过程发展规律
4.2.1 混凝土应力全过程发展规律
通过应力云图可见，混凝土最大拉应力与最大压应力均出现在梁构件纯弯段。在弹性阶段，混凝土拉压区应力水平较小，均处于材料的弹性受力阶段。混凝土应力发展速度基本与荷载加载值呈线性关系。随着荷载的进一步增大，在达到A 点之后，纯弯段梁体混凝土的应力发展加速，应力发展相对荷载呈现非线性关系。梁跨中下部底面受拉区的混凝土拉应力逐步超过其轴心抗拉强度限值2.64 MPa，表明此时混凝土出现裂缝，并向截面中部延伸。当荷载达到B点时，梁跨中顶部区域受压区混凝土应力达到36.9 MPa，达到其轴心抗压强度，新型钢筋混凝土梁受弯荷载达到最大值。随后，纯弯段梁截面混凝土应力水平下降，其中下部受拉区下降至1.78 MPa，受压区压应力下降至32.3 MPa，荷载持续减小，梁体发生破坏。混凝土纵向应力发展云图详见图5（a）所示。
图5 高强钢筋混凝土梁应力发展
4.2.2 钢筋应力全过程发展规律
新型高强钢筋的纵向应力发展过程见图5（b）所示，在加载初期，纵向钢筋应力水平较低。荷载达到A 点时，受压区钢筋最大压应力为32.7 MPa，受拉区钢筋最大拉应力为66.5 MPa。荷载初过A 点之后，纵向钢筋应力发展速度加快，受拉区钢筋应力率先达到屈服强度，约为658.1 MPa。考虑到受压区钢筋与混凝土的变形协同情况，其应力发展水平相对受拉区钢筋较低，为411.5 MPa，此时构件由于上翼缘的混凝土压溃，构件达到其峰值荷载，曲线上升至B 点。由此可知，混凝土梁受压区钢筋可采用普通钢筋即可。随着混凝土截面退出工作，钢筋应力进一步增大，受拉区钢筋发挥其热轧延性钢筋的优势，应变持续增长，应力保持稳定。高强钢筋应力发展详见图5（b）。
5 结论
本文介绍了一种屈服强度在635 MPa 以上的新型热轧带肋高强钢筋，并通过有限元分析软件建立了将其运用在混凝土梁中的受弯构件数值分析模型，研究了混凝土强度、配筋率、纵筋强度等参数对其抗弯性能的影响，明确了新型高强钢筋混凝土梁受弯的典型荷载-挠度曲线与应力全过程发展规律，得到以下结论：
①通过拉伸试验发现，本文介绍的新型热轧高强钢筋屈服强度均在635 MPa 以上，极限抗拉强度900 MPa 左右，断后伸长率大于9%，符合建筑用热轧钢筋的性能需求；
②参数分析表明，随着混凝土强度、配筋率、配筋强度和截面积的提高，新型高强钢筋混凝土梁的抗弯承载力增大；
③采用本文介绍的新型热轧带肋高强钢筋替换普通钢筋可有效提高混凝土梁的抗弯承载力和变形能力；
④应力分析可知，对于采用新型热轧带肋高强钢筋的混凝土梁，当在梁受拉区配置高强钢筋可充分发挥其强度优势，但当高强钢筋被用于梁受压区时，其强度难以有效利用。
