高强度约束箍筋用钢筋的生产技术

摘 要 为了提高我国建筑的抗震性能、节约建筑钢材使用量、提高空间利用率，必须提高约束箍筋的强度。本文通过对几种高强度钢筋生产方法的对比，选择了热处理法，在设计建设的连续生产线上进行了工艺试验，得到了屈服强度级别为800MPa~1200MPa、延塑性良好的高强箍筋及其对应的原料成分和工艺参数，并对其制成的约束混凝土柱构件进行了轴压对比试验，显示出高强箍筋与普通箍筋相比的优越性。

关键词 约束箍筋；屈服强度；热处理

中图分类号TU5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）37-0142-02

1 提高箍筋强度的必要性

我国是一个地震灾害频发的国家，要求建筑具有一定的抗震能力。箍筋（见图1）作为钢筋混凝土建筑中普遍使用的钢铁产品，对建筑物的抗震性能有重要影响。在汶川地震中，很多柱体由于箍筋的强度不够使柱子失效，导致建筑物整体迅速垮塌，人们没有足够的逃生时间[1]。根据发达国家的抗震设计经验和国内专家的研究结果，提高约束箍筋的强度可有效提高建筑的抗震性能，使建筑“坏而不倒”，保障人民生命安全[2~4]。同时，“肥梁胖柱、高墙深基”问题已困扰建筑行业多年，在高轴压比等情况下，受建筑材料性能所限，构件必须保证一定的体积，减少了实际使用面积，增大了材料消耗。此外，一些桥梁工程中曾出现由于箍筋强度不够而增加箍筋数量，致使箍筋间距过密，沙石无法进入的现象，而高强度箍筋可解决此问题，同时节约钢材用量。

目前，我国使用的箍筋强度级别基本为235MPa和335MPa，与发达国家相比处于较低水平，如日本在高层建筑中大量使用785MPa、1 275MPa级的箍筋[5]。由于生产技术和建筑结构设计理念原因，我国尚无专用高强度箍筋生产和应用，带来了安全性差、资源浪费、环境污染等一系列问题。而随着我国经济的持续快速发展，城镇住宅与城市公共建筑的需求量不断增加，箍筋强度级别有待提高的问题更加凸显。因此，本研究从工艺与设备的角度，将高强度箍筋屈服强度提高至800MPa~1 200MPa以上。

图1 箍筋实物照片

2 高强度箍筋生产方法的选择

目前钢筋产品基本通过热轧工艺直接获得，若提高钢筋强度，需加入V、Nb、Cr、Mo等合金元素，并进行控轧控冷，国内已有部分企业已采用这种技术生产出500MPa级钢筋，个别企业试生产出了600MPa级产品。在工业发达国家，已生产出785MPa级钢筋产品。

将棒线材经过较大程度的冷变形使强度提高是生产高强度钢筋的方法之一，例如冷轧带肋钢筋，其常用强度级别为550MPa、650MPa。但是，钢筋的塑性性能会随着强度的提高而降低，强度达到1 000MPa时钢筋将很难满足弯箍操作对其弯曲性能的要求。

对钢筋进行热处理也可提高其强度――将钢筋加热至奥氏体区后淬火，再经过回火，使材料显微组织由珠光体+铁素体转变为回火索氏体、屈氏体等马氏体的回火组织，在显著提高材料强度的同时可保存一定的塑性性能。该工艺不需要额外添加合金元素，原料成本低，且产品强度可达1 200MPa以上，弯曲性能良好，因此本研究选择热处理工艺开发高强度箍筋的生产技术。

3 生产工艺试验及结果分析

为达到低成本的目的，选用几种常见的低碳低合金钢种进行试验，具体化学成分见表1。选择不同的淬火和回火加热温度，在线材连续感应热处理生产线上对各钢种的钢筋进行热处理工艺试验。高强度箍筋连续处理生产线主要包括放线机构、成型机组、热处理机组和收线机组，分别对热轧盘条或钢筋原料完成连续放线、表面成型/矫直、淬回火热处理和收线成盘操作。其中，热处理机组包括感应淬火加热炉、淬火冷却水槽、感应回火加热炉和回火冷却水槽。全线通过自动控制系统控制运行速度、感应加热炉功率、钢筋张力等全部工艺参数，保证了生产的稳定性。

部分试验结果见表2。由于钢筋拉伸过程中未见明显屈服点，所以用非比例延伸强度衡量屈服强度。各试样在弯曲直径为3倍钢筋公称直径时弯曲180°表面均未产生裂纹。

表1 各试样化学成分（%）

表2 各试样经处理后的力学性能

钢筋经淬回火处理后转变为回火索氏体和回火屈氏体组织，该组织不仅强度较高，且具有良好的韧塑性能，因此以上几种低碳低合金钢经过淬回火热处理后，屈服强度由400MPa~650MPa提高至800MPa~1 200MPa以上，同时具有较好的延性（Agt为4.0%以上）和弯曲性能。

此外，钢筋细小的晶粒也对材料的综合力学性能做出了贡献。这是由于在连续处理生产线中采用了感应加热炉作为加热设备，其提温速度较快，可达100℃/s以上，使奥氏体晶核生成速度加快，且保温时间很短，阻碍了奥氏体晶粒长大。

4高强箍筋约束混凝土试验及结果分析

使用普通箍筋和高强箍筋制作了约束混凝土柱体试件进行对比轴压试验，试件尺寸200mm×200mm×600mm，采用菱形配箍方式，混凝土强度为51.5MPa，其他箍筋配置参数见表3。

表3 试件箍筋配置参数

将试件在液压伺服试验机上进行加载，测得在轴心荷载作用下约束混凝土的应力-应变关系曲线，示于图2。

图2 试件应力-应变关系曲线

由图形对比可知：采用高强箍筋的试件2，其应力―应变曲线达到第1峰值经一水平段后，又开始上升，直至第2峰值后才逐渐下降，且第2峰值应力高于第1峰值。随后，荷载继续增加，直至箍筋断裂，整个破坏过程体现出很好的强度和延性性能。

试件1-1达到第1峰值后即持续下降，极限承载力明显低于试件2，说明在体积配箍率相同的情况下，高强箍筋可获得更高的极限承载力；而与试件2配筋间距相同、配筋率较高的试件1-2，其极限承载力略低，但延性显著低于试件2，说明箍筋强度的提高可以显著改善混凝土的延性性能，由于高强箍筋的直径更细，在满足更高的延性要求的同时还能节约钢材。

5 结论

1）采用对热轧线材进行淬回火热处理的方法生产高强度约束箍筋强度是可行的，对提高建筑抗震性能具有重要意义;

2）在连续生产线上，可由低碳低合金钢热轧原料生产出屈服强度级别800MPa~1 200MPa、延塑性良好的高强箍筋;

3）与普通箍筋相比，高强箍筋在一定程度上提高了混凝土的极限承载力，并能较好的改善混凝土的延性性能。在相同的延性要求下采用高强箍筋可以降低用钢量，更加经济。

参考文献

[1]徐有邻.汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思.北京: 中国建筑工业出版社，2009，123.

[2]史庆轩，等.高强箍筋约束高强混凝土柱的偏心受压试验研究.工业建筑，2009，39(10)：76-80.

[3]张曰果，等.高强度螺旋箍筋约束下的高强混凝土圆柱延性分析.沈阳建筑大学学报，2006，22(5)：713-717.

[4]ISHII Takumi, et al.Overview and Application of Steel Material for High-Rise Building.JFE技报，2008，21：1-7.

[5]青山博之，张川.现代高层钢筋混凝土结构设计.重庆：重庆大学出版社，2006，56.