摘 要 通过对采用500MPa级钢筋框架结构的设计计算及结构原位加载试验，进行了混凝土梁裂缝宽度的研究。对配置500MPa级钢筋的梁裂缝宽度实测值，按现行《混凝土结构设计规范》的计算值以及按修正规范导则计算值进行分析，并参考了国外规范的有关方法，提出了配置500MPa级钢筋的计算方法。
关键词 HRB500级钢筋；原位实际荷载裂缝试验；最大裂缝宽度
1 前 言
500MPa级钢筋是近年我国研制开发的性能优良的热轧高强钢筋，其屈服强度标准值500MPa，抗拉强度标准值630MPa，强屈比不小于1.25，均匀伸长率不小于7.5%，不仅强度高而且延性好。通过钢筋的连接试验表明：钢筋焊接性能良好；采用机械连接时，传力性能也能达到相关标准要求。500MPa级钢筋暂定的设计强度为420MPa，如果只按强度计算配筋，可比335MPa级钢筋减少用钢28%，比400MPa级钢筋减少用钢14%。因此采用500MPa级钢筋代替目前使用的受力钢筋，不仅可节约钢筋用量，还可改善结构配筋拥挤的弊病，方便混凝土浇筑，保证工程质量。此外还有降耗、节能、减排和环保的社会效益，是一种有良好发展前景的钢筋品种。
2 高强钢筋的应用问题
《混凝土结构设计规范》GB50010－2002（简称《规范》）中尚未列入500MPa级钢筋，故影响了这种新型高强度钢筋在工程建设中的应用。即使按暂定设计强度420MPa，根据《规范》计算，由于受力钢筋高强度带来的高应力，构件的最大裂缝宽度也往往超过《规范》限值而不得不增大配筋。同样，挠度计算也是有类似的问题。此外《规范》规定受弯构件纵向受力钢筋的最小配筋百分率为0.2和45ft／fy中的较大值，因此部分构件的构造配筋要求因使用高强钢筋而受到制约。这些因素往往使高强钢筋的强度优势得不到充分发挥，造成材料的“浪费”。
混凝土结构受弯构件的挠度主要取决于截面的高度，另外还可以通过施工起拱等手段来减小，因此比较容易解决使用高强钢筋带来的问题。而钢筋的高应力带来计算裂缝宽度的问题，则是制约高强钢筋应用的主要难题。因此本文主要研究高强钢筋的裂缝问题。
3 高强钢筋的工程应用
3.1 工程概况
为解决上述问题，通过采用500MPa级钢筋试点工程的设计、施工，并进行了结构原位加载试验，探索实际结构中梁裂缝发展的规律。“河北建设服务中心”工程为国家“十一五”规划科技支撑计划中“可再生能源与建筑集成技术示范工程”，是河北省建设厅直属机关综合性业务办公楼。建筑面积22000m2，高度22.3m，地上6层，地下1层。建筑物平面尺寸为104m×42.8m，内设两个庭院，庭院之间设有11m的大厅及会议室，层数为4层。其顶层会议室抽柱，跨度变为17.6m。河北建设服务中心全貌和建筑一层平面分别见图1和图2。该工程为现浇钢筋混凝土框架结构，建筑抗震设防类别为丙类，场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，框架抗震等级为三级，建筑结构安全等级为二级。在混凝土结构中，梁的纵向受力纲筋采用了500MPa级钢筋。工程于2007年2月设计，2007年5月开工建设，2008年7月投入使用。经过一个夏季和一个冬季的运行使用，效果良好。
图1 河北建设服务中心全貌
图2 建筑一层平面图
3.2 混凝土梁设计计算裂缝分析
图3 砼梁裂缝宽度计算值统计
工程根据《规范》进行设计，500MPa级钢筋抗拉强度设计值取420MPa。设计中对配置500MPa级钢筋的混凝土梁仍采用现行《规范》的公式进行最大裂缝宽度计算。以三层结构混凝土梁为例，计算结果表明，最大裂缝宽度超限的比例高达37.4%（图3），相当多的构件配筋是由裂缝宽度而非承载力起控制作用。当最大裂缝宽度限值取0.30mm时，所有框架梁中，配筋由最大裂缝宽度计算起控制作用的截面有84处（其中支座67处，跨中17处），占该层框架梁配筋截面总数的31%。连续次梁和简支梁跨中截面中，配筋由最大裂缝宽度计算起控制作用的为36处，占跨中截面总数的90%。按三层结构全部混凝土梁的裂缝宽度计算结果统计，有62.6%的梁裂缝宽度值不大于0.30mm；95%的梁裂缝宽度值不大于0.40mm。这说明现行《规范》最大裂缝宽度的计算及限值已明显制约了500MPa级钢筋高强度的发挥。
4 结构原位加载试验
4.1 试验概况
为探索在高强钢筋带来高应力的情况下，《规范》的裂缝宽度计算公式对实际工程结构是否合理，对试点工程进行了结构原位加载试验。试验目的是观测配置了500MPa级钢筋的混凝土梁在承载受力时的裂缝发展规律。积累应用高强钢筋的试验数据，为推广使用500MPa级钢筋提供依据。
试验的框架柱、梁和板混凝土设计强度等级均为C30。框架梁和次梁纵筋采用承德钢铁集团的500MPa级钢筋。钢筋直径为16mm，18mm，20mm，22mm，25mm。边框架梁截面尺寸为400mm×550mm，跨高比为14；中间框架梁截面尺寸为300mm×600mm，跨高比为13。
由于无法进行整个楼面的加载，试验加载部位选择在工程西配楼三层（图4）。以局部加载得到的弯矩内力图，模拟实际工程结构在使用状态下的内力分布，以检验其裂缝产生、发展的规律。加载楼面中试验梁的编号如图5所示。试验时结构主体已经封顶，外围护墙及内隔墙基本砌筑完毕，顶板抹灰和地面面层均未施工。
图4 加载试验区域平面图
图5 加载区域梁的编号
加载方式采用散砂和袋装水泥堆载，按2.0kN／m2，2.5kN／m2，3.0kN／m2，3.5kN／m2四个级别逐次在楼板上加载，每一级加载后均对梁的裂缝状态进行观测。第一级加载值采用楼面满铺135mm厚砂子，其余三级加载均采用袋装水泥。满加载后的实况如图6所示，加载梁裂缝见图7。
图6 满加载的实况
图7 加载梁裂缝
考虑梁板自重3.5kN／m2，对于梁承受荷载而言，上述四个级别加载值变为3.5kN／m2，5.5kN／m2，6.0kN／m2，6.5kN／m2，7.0kN／m2五个级别。
4.2 裂缝宽度试验值与计算值的对比
个别梁在早期混凝土收缩、梁板自重及施工荷载的作用下即已产生了细小的裂缝。如KL13B梁在加载前已有宽度为0.03mm的裂缝。裂缝宽度试验值与计算值的对比结果见图8至图11。
图8 主框架梁对比曲线
图9 边框架梁对比曲线
图10 次梁对比曲线
图11 次梁对比曲线
结构的绝大多数试验梁均在第二级荷载作用时开裂，初始裂缝宽度0.03～0.05mm。随后裂缝数量增多，並随荷载增长而宽度变大。图8至图11中竖向坐标表示裂缝宽度（mm），横向坐标则表示考虑自重影响的荷载值（kN／m2），其中相应于正常使用极限状态的荷载值是7.0kN／m2。
为便于比较，图中除“试验值”以外，还列出了“规范值”及“导则值”。其中“试验值”指加载后实测的裂缝宽度乘系数1.5而得的数值，系数1.5是根据《规范》按长期裂缝最终宽度增长而确定的。“规范值”是指按现行《规范》公式计算的最大裂缝宽度值；“导则值”则指即将公布的对《规范》方法的修正后的计算值。
由图8至图11可以看出：在本次试验中，试验值均小于规范值。两者的比值，在统计的35个子样中，32个子样比值小于0.90，3个子样等于0.90，没有大于0.90的子样。就统计的总体而言，试验值与规范值的比值在0.214～0.900，平均为0.727。这表明实际工程中的裂缝宽度均小于规范计算值，即“规范值”偏大，过于严厉了。
因此建议将《规范》中最大裂缝宽度计算的公式采用乘一个修正系数β的方式加以修正。系数β可以理解为采用500MPa级钢筋时，高应力状态所对应的调整系数。这种处理的方法算法简单，并不影响混凝土结构的安全可靠，且有利于减少工程设计的困难，有较好的推广、应用价值。
对《规范》中最大裂缝宽度计算的公式采用修正系数0.9后，重新进行该工程的框架梁、连续梁和简支梁最大裂缝宽度计算，框架梁起控制作用的截面数由84个降到40个；连续梁和简支梁跨中截面起控制作用的截面数由36个降到25个，具有明显的效果。
5 高强钢筋工程应用的讨论
5.1 国内外混凝土规范裂缝计算对比
美国ACI318规范采用由试验数据经过数理统计得到的公式计算最大裂缝宽度；美国规范在普通环境下所允许的最大裂缝宽度限值是0.40mm，且不考虑长期荷载作用的影响。
英国规范对一般钢筋混凝土构件的裂缝控制规定了若干构造措施，并提出了相应的计算公式；英国规范在普通环境下所允许的最大裂缝宽度限值也是0.40mm，其长期荷载作用影响是从黏结应力损失的角度考虑的。
我国《规范》在普通环境下所允许的最大裂缝宽度限值是0.30mm；并且在考虑长期荷载作用时，还要在裂缝宽度计算值的基础上乘以1.5的增大系数。
采用以上三本规范对条件基本相同的钢筋混凝土梁进行裂缝宽度计算，计算结果的对比见表1。
表1 不同规范公式计算的裂缝宽度
由以上分析对比可得结论如下：
（1）当荷载较小时，我国《规范》计算的裂缝宽度值较小；
（2）随着荷载的增大，裂缝宽度计算值迅速增大；
（3）我国《规范》计算的裂缝宽度值总体相对较大；
（4）我国《规范》的裂缝宽度限值低于国外规范。
总之，我国现行的混凝土结构设计规范对裂缝宽度的要求过严，不利于高强钢筋的应用。
5.2 与《导则》算值的比较
为提前推进高强钢筋的工程应用，由中国建筑科学研究院主编的《500MPa级热轧钢筋应用技术导则》（以下称《导则》）中采取将原《规范》最大裂缝宽度计算的公式中的构件受力特征系数αcr，在受弯及偏心受压情况下的取值，由2.1降为1.9，1.7降为1.5。因此实际上，乘修正系数0.9的方法，基本就是《导则》建议的方法。
按《导则》公式进行该工程的框架梁、连续梁和简支梁最大裂缝宽度计算后，框架梁起控制作用的截面数由84个降到11个；连续梁和简支梁跨中截面起控制作用的截面数由36个降到5个。
可见按修正后《导则》的最大裂缝宽度计算公式计算的结果已基本消除了高强钢筋工程应用中的难题。
6 结 论
我国现行《规范》公式对计算的裂缝宽度值要求相对偏严，当采用高强的500MPa级钢筋时，可对《规范》中的最大裂缝宽度计算公式进行修正，这不仅可充分发挥500MPa级钢筋的强度优势，节省钢材，而且还可改善钢筋拥挤的状况，提高工程质量，取得很好的经济效益和社会效益。
为此建议：对采用500MPa级钢筋进行工程设计时《规范》最大裂缝宽度计算公式可乘以β＝0.9的修正系数，以减少其工程应用的阻力。这种方法简单实用，且比较可靠。
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