建筑用钢筋冷扎和带肋.doc

1建筑用钢筋优化刍议中国建筑科学研究院 徐有邻摘要 我国钢筋种类繁多，强度偏低，部分钢筋延性太差，已难以适应混凝土结构发展的需要本文基于混凝土结构对受力钢筋的要求，从 强度、延性、质量稳定性、锚固性能、施工适 应性及经济等方面对现有钢筋进行了分析比较根据我国国情及建筑市 场的变化，提出了大力推广Ⅲ级钢筋及中高强钢丝钢绞线；发展小直径Ⅱ、Ⅲ级钢筋；优化或淘汰冷加工 钢筋；发展与钢 筋有关的配套技术等建议本文可供建筑 设计部门及冶金企业参考关键词 混凝土结构 钢筋 优化1 概况1.1 混凝土用钢筋的发展及现状我国混凝土用钢筋的生产经历了三个阶段：五六十年代仿制前苏联生产光面、等高肋钢筋(螺纹、人字纹)以及钢绞线(七股)；七八十年代开发低合金钢筋及冷加工钢筋，生产月牙肋钢筋并发展冷拉钢筋及冷拔钢丝；九十年代以来采用国际标准生产各种中高强钢丝、钢绞线，并扩大冷加式钢筋的范围(如冷轧带肋、冷轧扭、螺旋肋钢筋等)由于历史的原因，形成了目前钢筋新旧并存，品牌众多的局面1.2 我国现有钢筋品种及基本性能我国现有钢筋分为热轧(冷拉)钢筋、中高强钢丝钢绞线及冷加工钢筋三类基本性能如表１～３所示表 1 热轧(冷拉)钢筋的基本性能2表 2 中高强钢丝钢绞线的基本性能表 3 冷加工钢筋的基本性能1.3 钢筋的外形及几何特性(1)钢筋的外形 我国钢筋的外形有光面、带肋、刻痕、旋扭、螺旋及绳状六大类，如图 1 所示。

3图 1 各类钢筋的外形(2)钢筋的几何特性 根据钢筋产品标准所确定的外形尺寸，可以计算三个与钢筋性能有关的主要参数： φ A：基圆面积比 即扣除横肋等非受力部分后，承受轴力有效截面积所占的比例，与钢筋的强度有关；h/d：相对肋高 凸起横肋或轧下凹痕与钢筋公称直径的比例，与锚固性能有关； φ r：肋面积比 凸起横肋或下凹痕的横截面投影面积与钢筋表面积之比，与锚固性能有关其余几何参数还有肋(槽)与轴线的夹角，肋(槽)面的倾角，肋间距等，均与锚固性能有关各类钢筋的主要几何参数如图 2、图 3 所示图 2 热轧(冷拉)钢筋的几何特性1—月牙肋；2—等高肋1.4 优化建筑用钢筋的建议由于历史的原因，我国钢筋品牌繁多，往往引起使用上的混乱，难以适应建筑市场发展及混凝土结构工程的需要因此有必要通过对比研究而对现有钢筋进行优化本文着重钢筋性能的分析比较并提出优化方案的建议4图 3 钢丝及冷加工钢筋的几何特性1—月牙肋；2—冷轧带肋；3—螺旋肋2 混凝土结构对钢筋性能的要求2.1 强度钢筋强度是决定混凝土结构承载力的重要因素，一般说来，钢筋强度高的构件比较安全故采用高强钢筋降低配筋率是发展方向，但并非强度越高越好。

由于钢筋弹性模量基本为一常值，高强钢筋在高应力下受力往往引起构件过大的变形和裂缝因此对普通混凝土结构而言，设计强度限为 360MPa，强度过高没有意义预应力结构解决了这个问题，通过张拉钢筋并对混凝土施加预应力，钢筋的高强度得以发挥但同时又带来与混凝土协调受力的问题，受混凝土强度的制约，过高应力的钢筋锚固困难，强度难以发挥因而预应力钢丝、钢绞线的高强度有一定限值，最高不超过 1860MPa2.2 延性延性是钢筋变形、耗能的能力，与强度具有同等的重要性调查表明，很多事故特别是恶性事故并非钢筋强度不足，而是延性不够脆断而引起的钢筋的延性通常用伸长率表示，即以量测拉断钢筋断口区域的相对变形来计算由于量测标距不同(5d、10d、100mm)而出现了三种伸长率δ 5、δ 10、δ 100它们之间因标距不同而难以比较；断口伸长率只反映颈缩—断口局部区域的残余变形；与钢筋拉断时的应变状态(平均变形)相差甚远且断口拼接量测误差较大，故难以真实反映钢筋的延性因此现有伸长率的测定方法引起了一些概念上的混乱，有统一和改进的必要在一般试验室条件下，量测试验后非颈缩断口区域标距 l0内的残余应变 ε=(l'-l 0')/l0(l'为残余长度)，加上已回复的弹性应变应变ε e=σ 0b/Es(σ 0b)为实测钢筋拉断强度，Es 为弹性模量)而得钢筋在最大力下的总伸长率(简称均匀伸长率)δ gt作为钢筋延性的指标(图 4)。

均匀伸长率 δ gt真实地反映了钢筋在颈缩拉断前的平均(非局部区域)伸长率，客观地反映了钢筋的变形能力，是比较科学的延性指标强屈比(σ b/σ y)也反映了钢筋的延性，抗震结构要求受力钢筋的强屈比不小于 1.302.3 质量稳定性钢筋力学性能的稳定性十分重要规模生产的钢筋产品强度及延性离差小，均质性好，性能稳定，质量有保证而对钢筋进行二次冷加工(冷拉、冷拔、冷轧、冷扭)后离散度加大，质量不稳定尤其是小规模作坊式的生产，由于我国母材(盘条)普遍超粗；加工工艺粗糙；缺乏有效的技术管理和严格的质量检验；质量波动大；不合格率高；往往影响结构的安全2.4 锚固性能锚固是混凝土结构中钢筋受力承载的基础锚固性能包括锚固刚度(制约滑移的能力)、锚固强度(锚固应力最大值)及锚固延性(滑移较大时维持锚固的能力)通常以锚固钢筋拉拔试验测得的锚固应力—滑移(τ－S)曲线来综合反映(图 5)5图 4 钢筋均匀伸长率的测定咬合力是锚固作用的主要部分，由钢筋横肋对肋间混凝土咬合齿的挤压形成，与肋高、肋面积比及咬合齿形态有关由于斜向挤压最终导致混凝土沿钢筋纵向劈裂，锚固强度受到削弱，并在滑移较大时将咬合齿切断而锚固破坏。

劈裂力仅在横肋处发生，因此对于非极对称截面的月牙肋及冷轧带助钢筋，劈裂具有方向性(图 6)图 5 各种钢筋 τ－s 曲线光面钢筋的滑移大，锚固强度低延性差；刻痕钢丝及螺旋槽钢丝的混凝土咬合齿太单薄，与光面钢筋无大区别；等高肋钢筋咬合齿很深，锚固刚度及强度高，但锚固延性较差；月牙肋及冷轧带肋钢筋锚固刚度和强度稍低，且劈裂有方向性，但锚固延性好；旋扭状的钢绞线及冷轧扭钢筋靠侧面旋角的挤压作用咬合，锚固刚度及强度较低，但锚固延性好；螺旋肋钢丝靠横肋挤压持力，混凝土咬合齿较宽大且为连续螺旋状，锚固刚度、强度和延性都较好，是比较理想的钢筋外形图 6 咬合作用及锚固破坏钢筋的锚固性能在设计中表现为锚固长度［l a］ ，即钢筋能发挥设计强度所必须锚入混凝土的长度锚固性能好的钢筋锚固长度短，反之则长光面钢筋由于锚固性能差，还必须在末端做弯钩，依靠机械锚固作用持力6自锚预应力钢筋通过混凝土的锚固作用而建立设计预应力值所需的长度为预应力传递长度［l tr］ 通过量测构件端部预压引起应变 ε e的分布，可以测得传递长度值锚固性能好的钢筋传递长度短，即在很小的长度范围内就可建立起设计所需的预压应力值但过小的传递长度会造成构件端部应力集中，引起局部挤压裂缝。

2.5 疲劳性能吊车梁及交通部门的道路桥梁等承受反复荷载的构件常对钢筋提出疲劳性能要求一般说来，表面平滑的钢筋抗疲劳性能好，表面起伏较大的钢筋在形状突变处容易应力集中而诱发疲劳破坏2.6 耐久性钢筋对锈蚀的敏感程度与其直径及是否预应力钢筋有关：直径越细、锈蚀削弱截面对抗力的影响越大；预应力钢筋因在高应力状态下承载受力，应力锈蚀影响相对较大因此，用于预应力结构的钢丝、钢绞线及冷加工钢筋的防锈问题应特别注意锈蚀与环境有关，防腐功能好的钢筋可用于环境恶劣及对耐久性有较高要求的水工、港工、化工、市政工程的混凝土结构中2.7 焊接性能钢筋的可焊性取决于材料中碳及各种合金元素的含量碳当量较高时可焊性降低，碳当量超过 55%时就难以焊接热轧钢筋均可焊，而高强的钢丝、钢绞线不可焊其余的高强钢筋及通过热处理、冷加工而强化的钢筋，在一定的碳当量范围内可焊但焊接会引起焊接区钢筋强度降低，应采取必要措施点焊对强度不大，故小直径钢筋常以点焊网片形式应用于工程中2.8 加工性能加工性能指在工地进行钢筋冷加工的质量及对施工的适应性，分以下几方面叙述1)冷加工质量 在双控(应力及变形)条件下对热轧钢筋进行冷拉以提高强度，一般与钢筋调直同时进行。

冷拉钢筋延性降低但一般波动不大，较少出现脆断事故而冷拔、冷轧、冷扭则剧烈地改变了钢筋的截面及形状，尽管强度提高但延性损失很大由于母材质量波动，且直径往往偏大(超粗)，造成加工后面缩率偏小因此我国冷加工钢筋的延性不仅很低，而且质量极不稳定1998 年国家建筑钢材检测中心对冷轧带肋钢筋进行生产许可证检查结果 1/3 以上的企业不合格其中 LL550、LL650 级主要因伸长率而不合格(点22.2%和 23.8%)；而 LL800 级则为强度不合格(占30.0%)特别是广泛用于预应力圆孔板的 LL650级，伸长率以 95%保证率计仅为 3.1%，才勉强达到冷拔丝的合格标准加上大量无证厂家及工地的盲目生产，我国冷加工钢筋的质量现状不容乐观2)冷弯性能 钢筋弯折、弯钩时应避免裂纹和折断低强度的热轧钢筋冷弯性能较好；强度较高的钢筋稍差；冷加工钢筋容易折断，冷弯性能最差冷轧扭钢筋因截面的方向性，只能在扁平方向弯折一次，限制了它的施工适应性3)骨架网片的刚度 工地现场的钢筋骨架网片往往因施工扰动而出现变形位移，影响结构性能，甚至酿成事故细直径钢筋最易发生问题但冷轧扭钢筋比较挺拔，骨架网片刚度大不易变形移位，适用于现浇楼盖。

焊接网片，骨架的刚度也较好2.9 交货状态及施工工序直径 12mm 以上的热轧及冷拉钢筋以直条交货，须定长切断且产生余料，在结构配筋中形成许多接头小直径钢筋及钢丝、钢绞线可卷成盘状交货，可根据要求定长切断而减少接头光面钢筋末端必须做弯钩预应力钢筋张拉时往往末端须墩头或加锚夹具冷拔丝及冷轧带肋钢筋作非预应力配筋前要增加调直工序并损失部分强度冷轧扭集轧制、调直及定长切断一体，方便了现场施工2.10 经济性衡量钢筋经济性的指标是强度价格比(MPa.t/元)，即每元线可购得单位钢筋的设计强度，强度价格比越高越经济，以 1998 年底的市场价格计，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级钢筋的强度价格比为 0.09～0.13；中高强度钢丝钢绞线为 0.20～0.24；冷加工的非7预应力钢筋为 0.09～0.12；冷加工的预应力钢筋为 0.14～0.163 国外建筑用钢筋的发展趋势1）钢筋强度提高国外热轧钢筋的品种规格已渐趋统一，强度等级为 300、400、500MPa400MPa 级已成为主导受力钢筋；200MPa 级趋于淘汰；500MPa 级的应用已经开始预应力配筋则废弃冷加工钢筋而全部采用中高强钢丝钢绞线，并向高强(1860MPa)，低松驰(2.5%)方向发展。

2）重视钢筋综合性能国外注重改善钢筋的综合性能，除强度外，延性已得到足够的重视若干国际标准已将钢筋按延性分级：最低的冷加工钢筋均匀伸长率δ gt≥２%～２．５％；而高延性钢筋δ gt≥５%～６％．3）钢筋配套技术发展钢筋机械连接技术；高效预应力锚夹具、连接器及配套设备；无粘结预应力结构体系；高效预应力预制构件；焊接网片及骨架的应用；网模技术的应用；环氧树脂涂层钢筋及其它钢筋防腐技术开发……等均得到了较大的发展4 混凝土结构用钢筋的合理选择4.1 Ⅲ级钢筋成为主导钢筋我国传统混凝土结构以Ⅱ级钢筋为主导受力钢筋，Ⅰ级钢筋作钢箍及辅助配筋造成配筋率高而配套的混凝土强度低，因此而造成肥梁、胖柱、深基、厚墙，加大了结构自重及施工工作量今后将以 400MPa 的Ⅲ级钢筋作受力主导钢筋，其设计强度 360MPa，强度价格比 0.13MPa.t/元，高出Ⅱ级钢筋及冷加工钢筋 15%以上采用钒氮工艺后还可降低成本，每吨只比Ⅱ级钢筋钢贵150～100 元因此可以大大降低配筋率；减轻结构自重；减少施工量；避免配筋密集区域的施工困难Ⅲ级钢筋延性好，均匀伸长率 δ gt≥10%，强屈比 σ g/σ y≥1.30，远高于各种冷加工钢筋，在意外超载、地震及事故条件下绝对不会脆断。

可用于抗震结构，考虑塑性设计(塑性内。