高强钢筋应用及产业化

高强钢筋的合理应用及产业化发展方向中国建筑科学研究院徐有邻北京北三环东路30号(100013)010-64517263一．混凝土结构对钢筋性能的要求1.强度（1）屈服强度：屈服是热轧钢筋强度等级的标志。预应力筋（硬钢）取非比例应力作条件屈服强度。屈服强度用于结构承载力计算，决定了构件的配筋。（2）极限强度：钢筋能承受的最大应力为极限强度，极限强度相应于钢筋断裂-传力中止。极限强度用于结构的防连续倒塌设计，决定了结构的防灾性能。(3)疲劳强度:吊车梁及其它构件的钢筋在交变疲劳荷载作用下，钢筋性能蜕化（降低）。疲劳强度比静力作用下的强度低得多，与疲劳荷载的性质有关。2.延性延性是钢筋拉断前的变形性能，涉及构件断裂和结构倒塌。(1)均匀伸长率:钢筋极限强度相应的应变为均匀伸长率δgt（最大力下总伸长率Agt）是钢筋能够达到的最大应变。传统断口伸长率（δ5、δ100…）不是延性的代表，已不采用（图）。(2)强屈比:钢筋拉断与屈服力学参量的比值为强屈比，反映从屈服到断裂过程的长短。极限强度与屈服强度的比值为强屈比，极限应变与屈服应变的比值即为“延性”。强屈比大的钢筋延性好。硬钢延性差强屈比小，往往发生无预兆的脆性断裂破坏（图）。(3)超强比:抗震钢筋实际强度不能超过其标准强度太多,“超强”的钢筋延性变差，还可能造成“塑能铰转移”的后果，影响安全。(4)耗能特性:下图中为各种钢筋的应力-应变关系曲线、强度和均匀伸长率。一般钢筋强度高就延性差；反之强度低就延性相对较好。钢筋的耗能特性(达到屈服或断裂时单位质量钢筋所消耗的能量)能够全面反映其综合力学性能。耗能特性W以图中本构关系曲线下的积分面积除以钢材的密度求得(单位N·m/Kg)。钢筋的耗能特性反映了其强度和延性的综合性能，是衡量钢筋力学性能的重要指标。012345678910111213141516171819200200400600800100012001400160018002000热轧235热轧335热轧400热轧500冷轧800中强970中强1270高强1570Nmm高强1860(5)钢筋延性的影响：汶川地震中，不同延性钢筋断裂耗能的差异对构件破坏形态及结构倒塌的影响十分明显。热轧钢筋有很好的延性和耗能能力，在屈服以后没有断裂而成为抗倒塌拉结模型中的受力钢筋（图）。而强度较高的冷加工钢筋，由于延性太差，断裂耗能很小而在地震中普遍断裂，引起构件解体-结构倒塌，造成了巨大伤亡（图）。3.粘结锚固性能（1）粘结特性：钢筋外形决定了钢筋-混凝土界面粘结应力的传递,确定了裂缝宽度、裂缝形态及锚固性能。（2）锚固长度：建立承载所需应力的长度为钢筋的锚固长度。由试验研究及可靠度分析可得受力钢筋所需的锚固长度，可以按基本锚固长度根据锚固条件乘以修正系数而确定。（3）预应力传递长度：先张法预应力筋通过界面粘结锚固而建立有效预应力值的长度为传递长度，其与预应力筋的外形有关，还取决于预应力值及所在混凝土中的锚固条件。4．连接性能钢筋通过接头传递内力的性能(强度、受形、恢复力……)（1）搭接长度搭接钢筋通过与周边握裹层混凝土的锚固实现力的传递，搭接传力的机理与锚固类似，也与钢筋的外形有关。搭接长度可由相应的锚固长度折算而求得。（2）可焊性焊接钢筋通过焊接接头的熔融金属直接传力。碳当量大的钢筋不易焊接。焊接对钢筋力学性能影响较大；还可能引起温度应力；焊接施工质量也不易保证。（3）机械连接适应性在钢筋端头加工螺纹，通过连接套筒的螺纹咬合实现传力。钢筋的表层硬度、外形偏差（直径、不圆度、错台）都会影响连接质量、施工适应性及传力性能。5．质量稳定性（1）性能离散度：规模生产钢筋的质量比较稳定；小批量生产的钢筋质量较差；作坊式生产的钢筋离散度很大，质量最差。质量波动大的钢筋很难控制施工质量,影响结构安全。（2）重量偏差：重量偏差允许值太大。按负公差生产的钢筋承载面积减小，影响构件安全以及机械连接的加工质量和传力性能。按正公差生产的母材影响冷加工钢筋的延性。（3）外形偏差：钢筋的不圆度（椭园）、错台（错半园）等外形偏差会影响机械连接的螺纹加工和传力性能；横肋、齿槽的形状偏差也会影响粘结锚固性能。（4）加工时效：钢筋冷加工和热处理以后,力学性能随时间而变化；预应力筋的应力松弛会损失张拉力。加工时效会影响结构性能，还可能造成断裂的危险后果。（5）品牌真实性：不同牌号的钢筋性能差异很大。混淆牌号以次充好的现象时有发生。牌号名不符实会引起施工不便，更可能造成结构隐患，影响安全。6．施工适应性（1）识别标志：钢筋上牌号及强度等级标志（字母或符号）不明显可能造成施工“混料错批”。如以钢筋纵肋、横肋形态的变化标志品牌及强度等级，将方便施工识别，减少差错。（2）供货状态：直条供货需切断产生余料；盘卷供货须加工调直影响性能。钢筋半成品供应可减少现场施工量。建立钢筋专业加工配送中心是未来钢筋供应及施工的最佳形式。（3）调直性能：钢筋机械调直或冷拉调直会造成钢筋力学性能变化，应该加以控制。（4）弯曲性能：高强钢筋和延性差的钢筋施工时，由于弯曲或反复弯曲会发生裂缝，断裂。（5）预应力工艺适应性：先张预应力筋镦头容易劈裂、掉帽。后张预应力筋太硬则锚具夹片“打滑”，太软则“咬肉”而削弱承载力。预应力筋对工艺适应性也有要求。7．耐久性（1）直径：细直径钢筋、钢丝、钢绞线对锈蚀非常敏感；而粗钢筋则相对耐腐蚀。（2）应力腐蚀：高应力状态下的钢筋容易锈蚀；因此预应力钢筋对锈蚀十分敏感。（3）表面处理：余热处理钢筋及冷加工钢筋表面很容易锈蚀，而轧制钢筋的表面不易锈蚀。8.耐温性能钢筋高温软化；低温脆性的控制。9.经济性性能价格比-强度价格比MPa-Kg/元,高强钢筋具有较好经济性。•上述要求共9方面28项,综合性能才是钢筋优选的目标。二.影响钢筋性能的因素1.组成化学成分（1）低碳钢材钢材成分是铁（Fe）和碳（C）。235MPa低碳钢钢筋强度低而延性好。随含碳量增加，强度提高而延性、可焊性、施工适应性急剧降低。因此高碳钢不能作钢筋。（2）低合金化加入2％锰（Mn）硅（Si），低合金钢筋强度提高为335MPa，但延性稍有降低。（3）微合金化再加0.04—0.07％的钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb），钢筋强度进一步提高为400—500MPa。但随强度提高延性也逐渐降低。2.成形工艺成形工艺确定钢筋的金相结构，对于性能影响极大。轧制钢筋表层的强度高而延性差，芯部则强度低而延性好。可以通过轧制将低碳钢筋的强度提高到300MPa。（1）普通热轧钢筋（HRB、HPB）钢材为均匀-细密的铁素体和珠光体，合金化后强度提高但延性较好，弯曲、焊接、机械连接、施工适应性等都很好（图）。（2）余热处理钢筋（RRB）钢筋轧后淬水表层强化以提高强度，并利用芯部的余热对表层进行回火处理，恢复部分延性。其表层为马氏体，强度提高但延性差（图）。（3）细晶粒钢筋（HRBF）钢筋冷却过程中控温并加大轧制力度，载面基本仍为铁素体和珠光体。细晶粒钢筋强度提高，延性较好。但综合性能稍逊微合金化钢筋（图）。（4）冷加工钢筋冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷镦改变钢筋直径和长度，强度提高而成为“硬钢”。但延性大幅度降低（图），极易发生脆性断裂。限作预应力配筋及塑性设计。（5）热处理钢筋高碳钢线材通过电感应进行高温热处理改变金相组织（索氏体）在大幅度提高强度的同时，仍保留了一定延性。通常用作预应力筋。HRB合金化HRBF细晶粒RRB余热处理冷加工对钢筋性能影响3.外形特性(1)外形参数肋高（槽深）、肋宽（槽宽）、肋间距（槽间距-导程）、横肋与轴的夾角、横肋圆周率、肋与表面的迎角、对称性……。主要基园面积率（受力面积与公称面积的比值）影响承载截面积；肋面积比（横肋投影面积与表面积的比值）决定锚固性能。刻痕（三面）螺旋肋螺旋槽冷轧扭三股钢绞线七股钢绞线光圆等高肋月牙肋冷轧带肋（两面）冷轧带肋（三面）刻痕（两面）(2)钢筋外形分析光圆钢筋：基圆面积率大（1.00），锚固性能差，须有弯钩（弯折）或锚夹具、机械锚固、焊接网片骨架才能持力,拟淘汰。等高肋钢筋：锚固性能最好，基圆面积率0.89,已被淘汰。带肋钢筋：月牙肋钢筋应用最广，基圆面积率0.94。锚固性能尚可，纵肋造成劈裂的方向性。冷轧带肋钢筋基圆面积率0.91，两面带肋导致劈裂的方向性；三面肋钢筋锚固性能改善。刻痕钢丝（两面、三面）：基圆面积率0.97。咬合齿浅锚固性能很差，接近光面钢筋。规范修订后淘汰。螺旋槽钢丝：基圆面积率0.97，依靠凹槽中单薄混凝土齿咬合，锚固性能较差。为PC钢棒及部分冷轧扭钢丝的外形,外形应改进。螺旋肋钢丝：基圆面积率0.97，连续螺旋状混凝土咬合齿宽厚，锚固性能优良。是中外所有钢筋外形中之最优者。钢绞线：钢丝捻绞而成。基圆面积率0.97，依靠螺旋状凹槽中混凝土咬合，锚固力介于螺旋肋与螺旋槽之间而属中等。(3)钢筋外形及影响1）钢筋直径细钢筋锈蚀影响较大耐久性差，故受力钢筋直径不小于5mm。粗钢筋运输、加工不便，连接困难，故受力钢筋最大直径不宜大于40mm；不应大于50mm。2）带肋钢筋的外形应用最广的普通带肋钢筋的外形有改进的必要。利用纵肋、横肋的旋向及形态，可以从外形上很容易识别钢筋的品牌和强度等级。而这种设想至今基本未能实现。3）外形偏差钢筋轧制外形偏差造成的不圆度（椭园）和错台（错半园），都会影响机械连接时的螺纹加工，影响有效截面及传力性能。4）重量偏差重量偏差也反映了其承载面积而对综合性能造成影响。以负公差为目标生产线材会削弱承载力；以正公差为目标生产卷材会影响冷加工性能。此外，有意地“冷拉过度”和“瘦身钢筋”也会降低结构安全储备。三.规范对钢筋的选择1.选择原则（1）根据钢筋在结构中的不同作用，根据受力需要分别进选择。（2）重视强度，强调延性--均匀伸长率、强屈比和耗能特性。（3）综合考虑力学性能、锚固-连接、施工适应性及传统习惯等。（4）对不同钢筋，提出相应的设计、施工中应注意的问题。（5）根据国情在现行钢筋产品标准的品牌范围内优化选择。（6）根据混凝土结构发展，提出完善钢筋标准改进性能的建议。2.考虑因素（1）力学性能：综合考虑强度高-中-低齐全；延性好-中-差搭配；扩大预应力筋的应用。（2）锚固-连接：普遍采用带肋钢筋，光园筋限作焊网和箍筋；粗钢筋不宜搭接；硬钢、粗钢筋不宜焊接；细钢筋不宜机械连接。（3）施工适应性：考虑施工水平及条件，灵活选择，物尽其用。（4）经济性：考虑强度价格比，“精打细算，物尽其用”，避免片面追求高强而或延性，能造成不必要的浪费。（5）技术政策：“四节一环保”，减少能源资源消耗，保护环境。3.选择的范围-钢筋产品标准规范不再强调钢筋组成成分，不再“唯成分论”但坚持“唯性能论”。从下列钢筋产品标准中选择适当的混凝土结构用钢筋，但要求品牌名实相符，并希望根据需要改进性能。•《混凝土结构用光面钢筋》GB13013：光面HPB。•《混凝土结构用钢》GB1499：月牙肋HRB、HRBF。•《钢筋混凝土用余热处理钢筋》GB13014：月牙肋RRB。•《预应力混凝土用钢丝》GB/T5223：光面、螺旋肋。•《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224：捻绞状。•《中强度预应力混凝土用钢丝》YB/T156：光面、螺旋肋。•《预应力混凝土用螺纹钢筋》GB/T20065：螺纹钢筋。四．设计规范中高强钢筋的有关问题1.钢筋的设计参数（1）抗拉强度屈服强度标准值用于使用状志验算；设计值用于承载力配筋计算；极限（断裂）强度用于构件防连续倒塌验算。（2）弹性模量是平均值而非特征值；由于基园面积率、自重负偏差；冷拉调直伸长以及钢绞线捻铰松紧程度的影响，实际弹性模量减小；必要时实测确定。（3）钢筋的延性废除断口伸长率；首次提出用均匀伸长率δgt（最大力下总伸长率Agt）作为延性指标。（4）几何参数公称直径-公称截面积-理论重量与实际差异；必要时实测确定。2.配筋设计的合理修改（1）并筋（钢筋束）：并筋视为截面积相等的单根钢筋—等效钢筋；当量直径为等效直径；二并筋等效直径为1.41d，三并筋1.73