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1、HRB400级钢筋的构件试验与工程应用返回关键词：20MnSiV钢筋材料性能、构件荷载试验及数据分析、工程应用文摘：本文介绍了 HBR400级钢筋中的主要品种20MnSiV的材料及焊接性能，通过生产厂、设计、施工、科研单位协作以试点工程为契机进行构件试验等课题，取得科研成果，通过杨树浦电厂试点工程应用，配合当前推广新钢种与国际接轨。目录1. 上海杨树浦电厂化学水处理车间设计简介2. 20MnSiV钢筋混凝土构件试验3. 结论和建议在当前城市、乡、镇的工业与民用建筑中仍广泛采用钢筋砼结构设计，纵观我国钢筋砼结构中，目前 大量采用屈服强度340MPa，抗拉强度为500520MPa的II级钢筋或新标
2、准为HRB335同等级钢筋，使用效 果虽好，但与国际上通常用屈服强度为420MPa钢筋比较，强度偏低，同类设计估计多用1025%的钢材， 为了改变大、中型电厂主厂房框架及主要附属建筑物，大型设备基座等肥梁、胖柱、重楼盖的面貌，选择 强度较高的HRB400级20MnSiV （原标准称新田级）钢筋，在电力系统率先作试点工程的设计和施工。试点工程于1997年由上海电力建筑工程公司与浦东钢铁集团上钢三厂、同济大学、华东电力设计院协 作，从新品种20MnSiV钢筋生产工艺、钢筋焊接技术、工程设计取值，以及构件结构性能试验，取得成果 并编制20MnSiV钢筋施工技术规定（试行）企业标准，97年8月通过技术
3、鉴定，并在上海杨树浦发电厂化 学水处理车间二层框架（设备上二层楼）的工程中应用。本文将扼要介绍试点工程设计、框架节点构件的试验及分析等应用情况。1.上海杨树浦电厂化学水处理车间设计简介上海杨树浦发电厂化学水处理楼分为主体车间和分析试验楼两个区域。主体车间是两层单跨钢筋混凝 土框架结构，跨度为15m，柱距为4.2m，楼层标高10.47m，屋顶标高22.850m。底层设有渗透间、水泵间、 加药间，分别安装过滤器等设备十九台。楼上布置除盐及渗透装置等十七台设备。该项目的特点是：设备 大、荷重大、跨度大、层高大。因此经计算，采用II级钢筋20MnSi设计时，楼层梁的高度需达2m以上。 这不仅结构自重大
4、，而且影响工艺管道布置，增加管道长度和投资。为了改变这一状况，施工、建设和设计三方共同研究，决定探索试用HRB400级钢筋20MnSiV。化学水处理楼主体车间采用现浇结构，主筋采用HRB400级钢筋20MnSiV，钢筋强度设计值为360N/mm2, 混凝土强度等级为C40。经与II级钢筋设计计算相比较，不仅减少了框架梁截面，节约混凝土量，而且减少用钢量，主要受力钢筋用量比较见下表所示:表1主体结构主要受力钢筋用量比较表构件类别20MnSiV (kg)20MnSi 级钢筋（kg）比20MnSi级钢筋节约（%）屋面梁120601447216.6楼层梁190292188513.0框架柱2127623
5、90411.0总用钢量523656026113.1注：1、表中仅表示地面以上横向框架部分主筋的用钢2、框架中部分钢筋因两种钢筋数量无变化，未列入表中比较化学水处理楼作为试点工程项目，于1997年5月开工，1998年12月竣工。在施工过程中得到施工、 监理、材料等各部门重视。对20MnSiV钢筋进行跟踪管理，使钢筋从出厂到制作场地，到现场都得到严格 管理，并安排焊接监理工程师跟踪复试，并进行100%的检查。该车间投产运行以来，情况正常，厂方表示满意。附：杨树浦电厂化水楼框架立面示意图2. 20MnSiV钢筋混凝土构件试验20MnSiV钢筋构件试验，首先通过钢筋原材料试验，焊接工艺性能试验合格我节
6、点的T型构件，结合杨树浦电厂化水车间的设计进行校核性试验，检验结构受力状态下钢筋应力和裂缝的关系和HRB400级钢筋以及钢筋电弧焊，对焊接头在构件中使用的情况以及三种不同配筋率对构件的裂缝开展和变形情况。2.1试件设计：试验构件由华东电力设计院设计，采用上钢三厂的20MnSiV钢筋，全部试件由上海电力建筑工程公司现场浇筑，并留有试块，本试验按混凝土结构试验方法标准GB50152-92规范进行。试件规格见表:试件编号梁截面柱截面主筋箍筋配筋率受剪承载力设计值（kN）V1VCST-1，2250X650300X5002中22U 62000.4943210265T-3，4250X750300X5504
7、中22U 61000.85244371T-5，6250X550300X6004中25U 61001.5317626820MnSiV钢筋材料力学性能（试件用的钢筋）件编号钢筋直径屈服强度6 sN/mm2抗拉强度6 bN/mm2弹性模量ESX105(MPa)fcu (MPa)T-1,2,3,4224806101.9141.8T-5,6254656151.9841.8试件的配筋见图1】00001试件配筋图押。试件编号h0T-2洲/T-J,日唾关眺】。0到1叫T-5, 6m4业2S郭】0（?/11试件编号bT-】，2m222T-3, 4顽4赤寰T-L 6q敝2.2构件荷载试验的试件安装及测试点的布置在
8、梁与柱交面下部放3只千分表测裂缝宽度、梁柱交面上部放2只千分表测砼压应变，梁端加载点上安装YHD-100型位移计1只，测梁加力点的位移。柱边放3只百分表，测柱子的位移，梁柱交界点上的上下面贴电阻应变片、测应力。（试件的安装和测点布置见图2所示）7-YHD-100型位移计II l II反力架/.r.1J 1/k 5 4”油路连接器测方千斤1,匚高压油泵加载装置与测点布置图2.3荷载试验的加载分级:加载先在柱子上加集中力500KN，并保持恒载，梁端开始分级加集中荷载，最大加载值为400KN。2.4试验结果数据分析:本试验项目采用悬臂梁结构进行试验，由于悬臂梁各截面受力不同，裂缝首先在梁固定端根部底
9、面出现，呈弯曲裂缝，随着荷载增加，由梁的固定端向悬臂梁端依次出现斜向裂缝，试验结果表明，在弯矩与 剪力共同作用下，各截面受力均不相同，当受力较大截面的裂缝已达临界状态时，受力较小截面的裂缝还 处于开裂的初始阶段，甚至尚未开裂，试验构件的剪跨比均大于1.2,小于1.9，截面上同时存在着弯矩和 剪力，构件呈剪压型破坏。剪力对裂缝开展宽度有很大影响，对构件的承载力构成危险，弯剪构件的裂缝 形成与开展和受弯构件纯弯段是不完全相同的，纯弯段的裂缝宽度计算是根据平均裂缝间距内纵向受拉钢 筋的平均伸长确定平均裂缝宽度，然后再乘以扩大系数以求得最大裂缝宽度，根据试验及计算结果，上述 计算模式对弯剪段不完全适用
10、。由于本次试验数量有限，对建立受弯构件弯剪区段裂缝宽度的计算模式依 据不足，还有待进一步作大量的试验研究工作，现根据有关文献资料的受弯构件弯剪段短期荷载下最大裂 缝宽度计算公式，对梁固定端根部最早出现的裂缝进行计算分析，T-1，2的裂缝计算结果与实测值见表2-12-2。表2-1 T1最大裂缝宽度实测值和计算值荷载（KN）钢筋应力（N/mm2）实测宽度（mm）裂缝计算值（mm）受弯公式弯剪公式46.599.990.0150.0980.06365.0141.940.0290.1400.09383.7184.150.0740.1810.12593.0205.250.2020.143112.0248.
11、210.2380.2690.197146.0325.090.3450.4800.380161.8360.770.5770.474176.0392.920.4600.6670.568202.5452.720.5750.8250.756229.0512.760.6680.9850.973238.0533.110.7261.0371.049251.0562.500.7871.1221.182265.0594.161.2141.337290.0650.681.3621.637表2-2 T2最大裂缝宽度实测值和计算值荷载（KN）钢筋应力（N/mm2）实测宽度（mm）裂缝计算值（mm）受弯公式弯剪公式46
12、.598.360.0100.0890.05765.0139.630.0210.1260.08483.7181.140.0350.1630.11393.0201.900.0550.1820.128112.0244.160.1260.2370.173146.0319.780.2450.4250.337161.8354.870.2840.5120.421176.0366.500.3320.5450.461202.5455.320.4040.7600.687229.0504.380.4850.8870.866238.0524.400.5170.9340.934251.0553.310.5501.010
13、1.052265.0584.450.6051.0801.177290.0640.051.2261.4453.结论和建议3.1混凝土强度等级不宜低于C30,且纵向钢筋的最佳配筋率在12%之间。3.2本试验裂缝宽度按受弯构件最大裂缝宽度计算时，与实测值相比，离散性较大，后根据有关资料， 按下列钢筋混凝土受弯构件弯剪段在短期荷载作用下最大裂缝宽度公式进行校核：码iax =矽日(2.7。+。.1Q 成v岛A,式中：t k 扩大系数，取t k=1.278a 系数，取 a =0.978甲裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数1 1 叫羽=1. 1F姑b羽甲珥珥，当1.0时，取* =1.0；对于直接承受重复荷载的
14、构件，取 =1.0。ftk-混凝土轴心抗拉强度标准值p te按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，p tAS/Ate，当p却00.01时，取p t0.01； 七一有效受拉混凝土面积；At0.5bh+ (bf-b) hf；b、h-矩形截面宽度、高度bf、hf-T形或I型截面受拉区的翼缘宽度、高度；As 受拉区纵向钢筋的截面面积；o-按荷载短期效应组合计算的构件纵向受拉钢筋的应力，4 =0.874Ms 按荷载短期效应组合计算的弯距标准值h。-截面有效高度Es 钢筋弹性模量C 最外一排纵向受拉钢筋保护层厚度（以mm计），当C1 时，取 k t =1p sv竖向箍筋的配筋率1K-剪力影响系数，
15、取V 剪力设计值fk 混凝土轴心抗压强度标准值3.3梁的纵向裂缝会使钢筋锈蚀比较严重，为保证构件不出现纵向裂缝，梁底钢筋不宜少于3根。3.4 HRB400级20MnSiV是具有强度高、综合性能优良的可焊接钢筋。从强度计算分析，可比II级钢筋 节约13.1% （见表1）。3.5根据试验结果：当裂缝宽度为0.3mm时，钢筋的应力在250270N/mm2；当裂缝宽度为0.4mm时， 钢筋的应力约在297344N/mm2，比裂缝宽度为0.3mm时的钢筋应力提高1522%。而现行混凝土结构设计 规范规定室内正常环境中一般构件的最大裂缝宽度限值为0.3mm，只有对处于年平均相对湿度小于60%地区 室内正常
16、环境下的受弯构件，其最大裂缝宽度限值为0.4mm。如能经过长期的试验研究，放宽到0.4mm，而 不致损害结构外观和引起钢筋的严重锈蚀，则能产生较可观的经济效益。3.6从试验数据看出：在相同荷载下，配筋率大而间距密的构件，钢筋应力小，裂缝宽度较小。3.7 HRB400级20MnSiV钢筋已正式列入GB1499的标准生产，且混凝土结构设计规范GB50010-2002亦 已将HRB400级钢筋列入，其钢筋强度设计值为fy=360N/mm2。3.8杨树浦电厂化水车间框架中已成功应用20MnSiV钢筋配筋，并在框架中采用钢筋电渣焊（竖向钢 筋接头）钢筋对焊、钢筋电弧焊接头。3.9 HRB400级新钢种之一的20MnSiV钢筋，经过生产厂、设计、施工、科研单位共同协作，解决了钢 筋焊接工艺参数，保证钢筋焊接的接头质量，通过框架接头型式的构件荷载试验，了解摸索了新品种钢筋 在设计要求下的结构性能和可靠度，从而成功地应用于工程中。它的积极意义是与国际上通常采用的420MPa 级钢筋接轨，使国产钢筋进入国际市场。
