有关混凝土结构中钢筋选择的探讨

摘要: 我国混凝土结构用钢筋种类繁多,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。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、施工适应性及经济等方面对现有钢筋进行了分析比较。

关键词: 混凝土结构钢筋选择

一、混凝土结构对受力钢筋性能的要求

1. 强度是钢筋的最基本的性能。但强度过高时高应力引起的大变形(伸长)将影响正常使用(挠度、裂缝)。故规范中钢筋设计强度限为306Mpa,强度过高没有意义。提高强度主要靠改进材质(低合金化);也可通过热处理或冷加工提高强度,但延性损失太大;变形钢筋的基圆面积率对强度也有一定影响。

2. 延性是钢筋的变形能力,通常用伸长率及强屈比来表达。目前以量测断口区域确定的伸长率(δ5,δ10,δ100)难以真正反映钢筋的延性。其原因为:标距不同,难以比较;只反映颈缩区域的残余变形;且断后拼接测量误差较大。

3. 钢筋质量的稳定性对受力承载十分重要。规模生产的钢筋产品均质性好,质量稳定,性能可靠。小规模作坊式生产的冷加工钢筋质量不稳定,离散度大,不合格率高。在母材超粗、加工缺乏管理、产品难以严格检验的情况下性能无法保证。

4. 钢筋的锚固性能是其与混凝同受力的基础。光面钢筋靠胶结及摩擦受力,锚固性能差;变形钢筋以咬合作用持力,锚固性能与其外形有关,取决于钢筋的横肋高度、肋面积比(横肋投影面积与表面积之比)以及混凝土咬合齿的形态。

5. 承受动力荷载的结构对钢筋有疲劳性能的要求。表面凹凸变化大的钢筋易在形状突变处应力集中而诱发疲劳破坏。

6. 焊接性能影响钢筋的应用。碳当量超过0.55%时不可焊。通过热处理、冷加工而强化的钢筋,焊接引起焊区钢筋强度降低,应予以注意。

7. 耐久性影响结构的工作寿命,在港工、水工、化工、市政工程中尤为重要。细直径钢筋对锈蚀比较敏感。影响锈蚀的主要因素是环境。混凝土保护层和钢筋表面状态(防护层)也有影响。

8. 冷弯性能是为满足钢筋加工的要求。在弯折、弯钩或反复弯曲时,钢筋应避免裂缝和折断。延性好的钢筋弯弧内径小,施工适应性强。

9. 钢筋骨架网片的刚度对施工影响很大。如刚度小,在施工现场因扰动(冲击、振捣、踩踏)而造成钢筋移位,有可能影响结构性能,甚至酿成事故。

二、建筑市场对钢筋需求的变化

经济发展和国力增强要求建筑结构安全度逐步提高。建筑成本中结构造价,尤其是钢材所占比例已很小。为提高安全度而增加配筋不至引起建筑造价的较大波动。近期规范修订试设计的结果,用钢量已有明显上浮。故今后建筑市场对钢筋的需求量将有较大增长。对钢筋性能的要求已由单纯追求强度到考虑综合性能,特别是延性要求。事故和震害调查表明,结构安全隐患往往是延性太差(脆断)。抗震设计、塑性内力重分布以及极限设计等也对钢筋的延性提出了更高的要求。因此,延性已成为不亚于强度的主要性能指标。

对高强钢筋的要求将明显增加。现代结构趋向大跨重载,配筋密集难以施工的矛盾日益突出,加上混凝土强度普遍提高,要求受力钢筋具有更高的强度,发达国家Ⅰ级钢筋已淘汰,普遍采用400Mpa级钢筋,500Mpa级钢筋的应用也已开始。而我国的主导钢筋仍以低强度的Ⅰ、Ⅱ级钢筋(235,335Mpa)为主,差距甚大。新修订的设计规范将以400Mpa的Ⅲ级钢筋为主导受力钢筋,引导设计人员采用强度较高的钢筋。

三、各种钢筋的发展趋势

1.光面钢筋光面(Ⅰ级)钢筋延性最好(δgt>20%),但强度太低(235Mpa),强度价格比不足0.10t•Mpa/元,故用作受力钢筋不经济;切锚固性能差,末端需做弯钩。国外己基本不用。从长远看,作为受力钢筋将被淘汰。

2.高等肋钢筋等高肋(人字纹、螺旋纹)钢筋基圆面积率小(0.88～0.93),截面削弱太多且表面凹凸太大,抗疲劳性能差。虽锚固强度高,滑移小,但混凝土咬合齿单薄易挤碎切断,锚固延性差。这种钢筋已通过标准的修订被取消,将很快被淘汰。

3.月牙肋钢筋热轧月牙肋的Ⅱ,Ⅲ钢筋延性较好(δgt>10%,15%),强度较高(335,400Mpa),强度价格比0.12～0.13 t•MPa/元。可焊性、抗疲劳性能、冷弯性能、锚固性能均优良。其咬合齿较宽厚,故锚固延性好。通过修订标准和改进技术,小直径(6,8,10mm)钢筋的规模生产已经实现。因此,这类钢筋(特别是Ⅲ级钢筋)将作为混凝土结构的主导钢筋大量应用;而细直径钢筋则将广泛用于住宅建设中。

4.高强钢筋在工业发达国家,强度500MPa的钢筋已开始应用,我国钢筋标准修订也以Ⅳ级月牙肋钢筋形式列入。应用的困难在于高应力条件下变形(挠曲)和宽裂缝难以解决。使用状态(挠度、裂缝)将取代承载力(强度)而成为控制设计的主要因素,使其高强度难以发挥。

5.冷加工钢筋以强度较低的钢筋盘条经过冷拔、冷拉、冷轧、冷扭后截面缩小、外形改变而形成的冷拔钢丝、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋和螺旋肋钢筋统称为冷加工钢筋。钢筋冷加工后设计强度提高有限而延性大幅度下降。均匀伸长率普遍不足2%。冷加工钢筋的强度价格比为0.10～0.12 t•Mpa/元,相对细直径的Ⅲ级钢筋已无价格优势。其最致命的弱点是延性太差且质量不稳定。大量缺乏管理的轧机进行作坊式的生产,加上母材质量波动(我国盘条多超粗且不规律),冷加工后面缩率往往偏大,伸长率很难达到标准要求,合格率很低。国际上冷加工钢筋不能作预应力钢筋而只作辅助配筋,且均匀伸长率(95%保证率)不小于2%～2.5%。

参考文献:

[1]徐有邻.我国混凝土结构用钢筋的现状及发展.土木工程学报,1999,(5).

[2]徐有邻.采用高强材料提高结构可靠度的建议.建筑科学,1999,(5).

[3]徐有邻等.混凝土结构用钢筋优化的建议.工业建筑,1999,(10).