第1章 概论
1.1 研究背景
随着城市化建设加速，重载、高层、大跨结构日益增多[1]。采用高强钢筋和高性能混凝土，不仅能够减少材料用量和资源消耗，还能改善钢筋拥挤现象，并提高施工质量。
我国《混凝土结构设计标准》(GB/T50010—2010)[2]规定了300MPa、400MPa、500MPa强度等级的钢筋混凝土结构设计方法，与欧美日等国家相比，我国钢筋强度等级仍偏低[3，4]。加强对高强钢筋在混凝土结构中的应用研究，对建筑行业的可持续发展和节能减排具有重要意义。
当钢筋的屈服强度大于500MPa时，其屈服应变大于发生破坏时混凝土的峰值应变，导致结构受力状态发生变化。因此，通常定义屈服强度超过500MPa的钢筋为高强钢筋。NPR735钢筋名义屈服强度为735MPa，*大力总延伸率达20%，可兼顾高强度和高延伸率，属于高强高延性钢筋。然而采用NPR735钢筋后，混凝土结构的承载力和延性缺乏相关的基础试验与完善的理论体系，尚缺乏NPR735钢筋的设计方法。
1.2 高强钢筋混凝土结构研究现状
国内外已有对屈服强度高于500MPa的钢筋的应用，中国有HRB600钢筋(fy=600MPa)，日本有USD685钢筋(fy=690MPa)，韩国有SD600钢筋(fy=600MPa)，美国有Grade80钢筋(fy=550MPa)和Grade100钢筋(fy=690MPa)[3，4]。图1-1中列出了各国高强钢筋的应力-应变*线。从图中可以看出，现有高强钢筋虽然屈服平台明显，但*大力总延伸率在10%左右，低于普通钢筋[5]。
各国规范对高强钢筋的*大屈服强度均有规定，我国《混凝土结构设计标准》(GB/T50010—2010)[2]规定钢筋等级*高为HRB500，欧洲规范EN1992-1-1[6]规定钢筋*高屈服强度为600MPa，美国规范ACI318-14[7]规定钢筋*高屈服强度为690MPa，新西兰规范NZS3101-2006[8]规定钢筋*高屈服强度为800MPa。
图1-1 各国高强钢筋应力-应变*线
1.2.1 高强钢筋性能
1.高强钢筋与混凝土黏结性能
钢筋与混凝土的黏结性能是确保钢筋与混凝土协同工作的基础，对混凝土梁的承载力有显著影响。
El-Hacha等[9]研究了高强钢筋(420～550MPa)的黏结特性，发现ACI318-02公式和Zuo-Darwin公式在钢筋应力水平较低时，低估了钢筋与混凝土的黏结强度，但当钢筋拉应力超过520MPa时，钢筋与混凝土的黏结强度显著降低，因此当钢筋应力水平超过550MPa时，公式计算结果与试验结果差异较大，在试验研究的基础上，提出了钢筋与混凝土黏结强度的修正公式。Seliem等[10]对高强钢筋与混凝土的黏结性能进行了试验研究，发现混凝土保护层厚度、箍筋约束、钢筋直径是影响高强钢筋强度发挥的重要因素；使用箍筋约束混凝土，钢筋可以产生高达1035MPa的应力；采用ACI318-02公式，计算强度比远低于1.0，不适用于目前形式的高强钢筋的开发和拼接设计。刘璐等[11]进行了受侧压混凝土中心置筋的钢筋拉拔试验，锚筋采用HRB500高强钢筋，研究了侧压比对HRB500高强钢筋锚固性能的影响，提出了受侧压情况下钢筋锚固长度设计建议。
2.高强钢筋力学性能
通常随着钢筋强度的增加，其延性和疲劳性能降低。Ghannoum和Slavin[12]对高强钢筋和普通钢筋进行了低周循环疲劳性能试验对比研究，揭示了高强钢筋疲劳寿命与几何变形、化学成分等各项参数之间的相关性，为制定高强钢筋抗震等级材料规范提供了重要数据。Elices等[13]通过对短梁剪切试件进行修正，即在断裂试验前对试件进行疲劳预裂，从而在较大的应力强度因子下测量裂纹扩展速率，分析其断裂韧性性能及断裂过程发展。陈昉健和易伟建[14]对直径为20mm的HRB500和HRB600高强钢筋进行了一系列拉伸和压缩往复荷载试验，研究了两种不同延伸率的高强钢筋在不同荷载振幅下的性能，发现HRB500和HRB600高强钢筋破坏前的*大应力和*大应变幅值随试件长度的增加而减小。张少华等[15]研究了直径为16mm的HRB500和HRBF500高强钢筋的疲劳性能，拟合了直径为16mm的HRB500和HRBF500高强钢筋的S-N*线，得到了HRB500和HRBF500钢筋分别在循环200万、500万、1000万次时的疲劳强度，发现HRBF500钢筋的疲劳性能略优于HRB500钢筋。陈昉健和易伟建[16]对直径为16mm和20mm的HRB400、HRB500、HRB600热轧带肋钢筋进行了一系列单轴加载试验，总结了不同直径和屈服强度的钢筋在不同长细比下的抗压强度变化规律，并建议将HRB600钢筋的抗压强度设计值取为500MPa。乔燕等[17]进行了HRB600高强钢筋拉伸力学性能试验，得到了不同应变率下的HRB600高强钢筋力学性能数据，发现随着应变率的增大，钢筋的屈服强度和极限强度均得到提高；在相同应变率条件下，钢筋屈服强度动力提高系数大于极限强度动力提高系数。
1.2.2 高强钢筋混凝土梁受力性能
1.高强钢筋混凝土梁抗弯性能
国内外专家对配置500MPa和600MPa高强钢筋的混凝土梁的抗弯性能进行了大量理论与试验研究。张鹏[18]通过试验对500MPa钢筋混凝土梁进行了抗弯性能研究，发现500MPa钢筋混凝土梁的承载特性与普通钢筋混凝土梁基本相同，其抗弯承载力、挠度和垂直裂缝宽度可根据现有规范公式进行计算，但应适当修正裂缝宽度计算值。Anggraini等[19]通过抗弯性能试验发现，在相同配筋面积下，550MPa钢筋混凝土梁的承载力比420MPa钢筋混凝土梁高16%～18%，且未发生脆性破坏。张建伟等[20]对HRB600钢筋混凝土梁的抗弯性能展开研究，发现HRB600钢筋混凝土梁的抗弯承载力试验值与规范公式的计算值吻合较好，短期荷载下*大裂缝宽度试验值也较符合规范公式计算值，但按照规范公式计算的挠度小于实测值，建议HRB600钢筋应用于C80以上强度的混凝土结构，可充分发挥其高强优势。熊浩等[21]进行了600MPa钢筋混凝土梁的抗弯性能试验，发现配置600MPa钢筋的混凝土梁仍符合平截面假定，延性较好。孙传智等[22]进行了600MPa钢筋混凝土梁的抗弯性能试验，试验结果表明，600MPa钢筋混凝土梁的开裂弯矩和极限弯矩仍可按规范公式计算，试验所得短期荷载下的*大裂缝宽度和平均裂缝间距与规范公式计算值有一定的差别，*大裂缝宽度计算值偏小，平均裂缝间距计算值偏大。顾杨明[23]对635MPa热轧高强钢筋混凝土梁进行了抗弯性能试验，提出了635MPa高强钢筋混凝土梁的抗弯承载力公式。Mast等[24]提出了一种高强钢筋与混凝土梁抗弯强度设计方法，该设计方法满足平衡协调条件，且计算由截面受拉应变控制和截面受压应变控制的弯矩承载力时，与美国规范ACI318-02的计算方法一致。
针对高强钢筋混凝土梁的挠度和裂缝，已有较系统的研究成果。王新玲等[25]通过试验研究了600MPa钢筋在混凝土受弯构件中的适用性，结果表明，600MPa钢筋混凝土梁的裂缝及挠度变形与普通钢筋混凝土梁基本相同，短期挠度满足《混凝土结构设计标准》(GB/T50010—2010)[2]限值要求，通过减小钢筋直径和施加预应力能有效减小裂缝宽度。Yao等[26]对600MPa高强钢筋混凝土梁裂缝分布和宽度的变化规律展开研究，提出了裂缝截面有效受拉高度、*大裂缝宽度和平均裂缝间距的计算公式。Huang等[27]通过构建1309组裂缝宽度数据的试验数据库，从模型误差的角度对裂缝宽度预测模型进行了评估，结果表明，与低强度钢筋相比，具有等效承载力和裂缝宽度安全水平的高强钢筋混凝土梁所需配筋率相对较小。高瑞平等[28]对HRB500钢筋混凝土梁进行裂缝宽度试验，分析了裂缝宽度计算方法，发现裂缝间距及裂缝宽度试验值均小于《混凝土结构设计标准》(GB/T50010—2010)计算值，调整钢筋黏结特征系数为1.2，可提高规范公式的计算精度。
通过提高混凝土强度、施加预应力等方式，可提高高强钢筋与混凝土的适配性。胡丹丹[29]对配置500MPa钢筋的先张法预应力构件进行了试验研究，发现其混凝土应变分布仍符合平截面假定，其正截面承载力、裂缝宽度及挠度可按照规范进行计算。杜毛毛和苏小卒[30]对8根配置500MPa高强钢筋的有黏结预应力混凝土梁进行了抗弯性能试验研究，结果表明，构件裂缝与非预应力筋直径和预应力筋根数有关，配置纵向非预应力筋可限制裂缝发展。李艳艳和李晓清[31]对12根配置部分预应力高强钢筋的混凝土梁进行了试验研究，发现增加预应力筋和非预应力筋配筋率可明显提高梁的抗弯承载力，使梁的刚度退化减慢；部分预应力高强钢筋混凝土梁的抗弯承载力可根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)进行计算，当该钢筋的强度设计值取500MPa时，根据规范对梁抗弯承载力进行计算，安全储备充足。熊学玉等[32]运用大量试验数据分析了静荷载下HRB500钢筋预应力混凝土梁的变形及刚度，提出了相应的计算公式，分析了延性的特点及其影响因素。叶献国等[33]通过试验研究了高强钢筋-高强混凝土预应力梁的抗弯性能，发现换算配筋率越大、混凝土强度等级越高，梁的短期刚度也越大，规范中的刚度计算公式仍然适用。赵文忠等[34]分析了混凝土强度对600MPa钢筋无黏结部分预应力混凝土梁抗弯承载力的影响，得出提高混凝土强度可以提高梁的极限承载力。皮凤梅和杨洪渭[35]对600MPa钢筋的有黏结部分预应力混凝土梁进行试验，研究了非预应力纵向受拉钢筋配筋率、非预应力纵向受拉钢筋强度等级对预应力混凝土梁抗弯承载力、短期*大裂缝宽度和跨中挠度等的影响，发现抗弯承载力和短期*大裂缝宽度仍可采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG3362—2018)中的相关公式计算；600MPa钢筋在预应力混凝土中抗拉强度取500MPa具有足够的安全储备。
管俊峰等[36]对配置600MPa高强钢筋及C60高强混凝土的受弯梁刚度进行试验，600MPa高强钢筋混凝土梁变形性能良好，荷载-挠度*线为典型的三折线；在其他因素相同的条件下，相比400MPa钢筋混凝土梁，600MPa高强钢筋混凝土梁的极限弯矩提高41.6%。张建伟等[37]通过试验研究HRB600钢筋应用于钢纤维高强混凝土梁中的受弯性能，结果表明，钢纤维有利于提高开裂荷载，减小裂缝宽度，提高梁的延性。姜立伟等[38]研究了HRB600钢筋应用于高强混凝土梁中的抗弯性能，结果表明，构件承载力随着混凝土强度的提高而增大。Aldabagh等[39]研究了高强混凝土、纤维混凝土和受压钢筋对提高高强混凝土梁抗弯性能的影响，发现提高混凝土抗压强度对钢筋混凝土试件抗弯承载力的贡献*大，采用轴心抗压强度为80MPa的混凝土合成纤维混凝土梁具有*高的*率延性。
NPR735钢筋比国内的HRB400和HRB600钢筋具有更高的强度和延伸率，它们的应力-应变*线如图1-2所示。目前，针对NPR735钢筋混凝土梁的研究较少，试验资料匮乏。与普通钢筋混凝土梁的承载机理是否相同，高强钢筋是否能充分发挥作用，裂缝及挠度是否满足现有规范要求，以上问题亟待研究。
图1-2 NPR735、HRB400和HRB600钢筋的应力-应变*线
2.钢筋混凝土梁修复技术研究现状
针对受损钢筋混凝土梁的修复加固，Fleming和King[40]提出了利用环氧树脂将钢板粘贴在混凝土梁的受拉区，以提高其抗弯承载能力。在此基础上，众多研究者通过试验研究粘钢加固梁的力学性能。Jones等[41]对少筋梁和超筋梁的受压区进行了粘钢加固，得到粘钢加固后的破坏模式。Swamy等
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