高强钢筋在混凝土结构中的应用评析.pdf

2 0 1 2 年 第 9 期 总 第 2 7 5 期 1 Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 T o t a l No ．2 7 5 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOL OGY d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ．2 0 1 2 ． 0 9 ． 0 3 9 高强钢筋在混凝土结构中的应用评析 杜毛毛 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 3 6 1 0 2 1 摘要 5 0 0 MP a 钢筋是我国冶金行业新研制开发的高强钢筋。 结合我国现阶段要大力推广应用 5 0 0 MP a 高强钢筋这一现实情况， 主要 介绍了高强钢筋在混凝土结构中的应用现状， 指出了高强钢筋推广应用中存在的关键技术瓶颈， 阐述了在推广应用高强钢筋的过程中我 国制定的一些相关政策， 为推进 5 0 0 1V I P a 高强钢筋在实际工程中真正得以推广应用提供参考。 关键词 高强钢筋；混凝土结构；裂缝宽度 中图分类号 T U5 1 1 ． 3 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 1 2 1 -02 Com me nt on t he a ppl i c a t i on o f hi gh s t r en gt h s t e el bar s i n c onc r e t e s t r u c t u r es DU M a o - ma o C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H u a q i a o Un i v e r s i t y ， Xi a me n 3 6 1 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a ct 5 0 0 MP a s t e e l b a r i s a n e w t y p e h i g h s t r e n g t h b a r d e v e l o p e d b y me t a l l u r gic a l i n d u s t r y i n C h i n a ． C o mb i n e d wi t h the a c tu a l s i t u i o n o f wi d e l y d i s s e mi na t i ng a n d a p p l y i n g 5 00 M Pa h i g h s t r e ng t h s t e e l b a r s i n O ur c o u nt r y a t p r e s e n t ， the p r e s e n t s i t u i o n o f a p p l i c a t i o n o f h i g h ． s t r e n g t h s t e e l b ars i n c o n c r e t e s t r u c t ur e s wa s i n t r o d u c e d． Th e k e y t e c h n i c a l b o t t l e n e c k e x i s t e d i n the d i s s e mi n a t i o n a n d a p pl i c ati o n o f hi g h ． s t r e n g t h s t e e l b a r s wa s p o i n t e d O l l t ． Th e r e l a t e d p ol i c i e s wh i c h ma d e i n O ur c o u n t r y i n the d i s s e mina t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e ng t h s t e e l b ar s we r e e x p o un d e d ． Th i s c o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r p r o mo t i ng th e r e a l d i s s e mi n a t i o n an d a p pl i c a t i o n o f 5 0 0 M P a h i g h s tre n g t h s t e e l b a r s i nthe p r a c t i c a l e n gin e e ri n g ． Ke y wor ds h i g h - s tre n g t h s t e e l bar； c o n c r e t e s t r u c t u r e ； c r a c k wi d th 0 引言 高强钢筋是指强度级别为 4 0 0 、 5 0 0 l l P a的热轧带肋钢筋。 2 0 1 1 年 7月 1日， 我国新版 G B 5 0 0 1 k - - 2 0 1 O 混凝土结构设计 规范 【 l 1 以下简称新规范 开始正式实施。 在钢筋强度方面 ， 新 规范增加了强度级别为 5 0 0 MP a的热轧带肋钢筋 ， 明确了将 4 0 0 、 5 0 0 M r P a高强热轧带肋钢筋作为纵向受力的主导钢筋 ， 限 制并逐步淘汰 HR B3 3 5 级热轧带肋钢筋的应用， 另外还将新的 H P B 3 0 0级光圆钢筋代替老的HP B 2 3 5 级光圆钢筋。 在钢筋品 种方面， 新规范在推广应用具有较好的延性、 可焊性、 机械连接 性能及施 工适应性 的 H R B系列普 通热轧带肋 钢筋 的同时 ， 还 增加了采用控温轧制技术生产的 H R BF系列细晶粒热轧带肋 钢筋。 结合我国现阶段要大力推广应用 5 0 0 MP a 高强钢筋这一 现实情况[2 - 3 ] ， 主要介绍了高强钢筋在混凝土结构中的应用现状， 指出了高强钢筋推广应用中存在的关键技术瓶颈， 最后阐述了 在推广应用高强钢筋的过程中我国制定的一些相关政策， 这可 为推进 5 0 0 MP a高强钢筋在实际工程中真正得以推广应用提 供一定 的参考 。 1 高强钢筋亟需推广应用 目前 ， 世界各国的建筑 已向大型化发展 ， 为提高大型建筑 物的安全性， 国外建筑行业早已普遍采用焊接性能好、 强度等 级高的钢筋【 4 ] 。 例如俄罗斯 1 9 9 3年钢筋产品标准增加了 5 0 0 、 6 0 0 MP a 钢筋， 美 国 1 9 9 6年钢筋产品标准增加了 5 2 0 MP a 钢 筋翔 。 美国规范 A C I 3 1 8 0 8 【6 ]允许普通纵向受力钢筋的最高屈 服强度为 5 5 0] l P a ， 欧洲规范 E N 1 9 9 2 一l 一 1 2 0 0 4 t 允许普通 纵向受力钢筋的最高屈服强度则为 6 0 0 MP a 。 在国外发达 国 家， 4 0 0 MP a以下的钢筋使用量很少， 4 0 0 6 0 0 MP a 级钢筋用量 达到钢筋总用量的 9 5 ％以上[8 1 。 与发达国家相比， 我 国建筑行业所用钢筋的强度普遍低 1 ～ 2个等级翻 。 在新规范实施的前些年， 国内建筑工程中使用的 普通纵向受力钢筋多以H R B 3 3 5级钢筋为主， 辅助钢筋大多为 强度更低的 H P B 2 3 5级钢筋。 采用低强度钢筋带来的配筋率增 加， 不仅使经济效益降低 ， 还造成因配筋密集而难以设计、 施工 困难等问题。 因此， 开发应用具有更高强度的钢筋是发展的必 然趋势。 5 0 0 M rP a钢筋是我国冶金行业新研制开发的高强热轧带 肋钢筋， 包括添加钒、 钛、 铌等低合金元素轧制的 H R B 5 0 0级普 通热轧带肋钢筋和采用控温技术 不加或少加低合金元素 轧 制的HR B F 5 0 0级细晶粒热轧带肋钢筋。 虽然早在 1 9 9 8年， 我 国已经将 HR B5 0 0级钢筋纳入 G B 1 4 9 9 --1 9 9 8 钢筋混凝土用 热轧带肋钢筋 【 中， 但因缺乏相应混凝土构件的试验资料而未 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 4 - 0 6 基金项目中央高校基本科研业务费资助项 目 鹏． Z R 1 2 3 0 ； 福建省 自然科学基金计划项目 2 0 1 2 J 0 1 2 2 2 ； 华侨大学高层次人才科研启动费项目 1 1 BS 1 0 6 1 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将其列入老版规范 G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 { 混凝土结构设计规范7 1 o l 以下简称老规范 中。 2 0 0 7年颁布的 G B 1 4 9 9 ． 2 2 0 0 7 钢筋 混凝土用钢第 2部分 热轧带肋钢筋 [ 1 】 】增加了 H RB F 5 0 0级细 晶粒钢筋。 与 H R B 5 0 0级钢筋相比， HR B F 5 0 0级细晶粒钢筋在 生产过程中不加或少加低合金元素， 因而其成本更低。 中国建 筑科学研究院自2 0 0 2 年开始便组织开展了对 5 0 0 MP a 高强钢 筋的科研试验， 2 0 0 7 年启动了 混凝土结构设计规范 的第六轮 修订工作， 确定淘汰HP B 2 3 5级钢筋， 并以 4 0 0 、 5 0 0 MP a 高强钢 筋作为主导受力钢筋。 如今新规范已经将 H R B 5 0 0和 H R B F 5 0 0 级钢筋同时列入其中。 近年来 ， 5 0 0 MP a 钢筋已在首钢、 宝钢等多家钢厂进行了 批量生产 ， 其生产技术已日趋成熟。 据统计 ， 2 0 1 0年我国钢筋总 产量超过 1 ． 4 1 亿 t ， 其中 4 0 0 、 5 0 0 M_P a高强钢筋的产量所占密 度达到 4 0 ％左右旧。 文献[ 1 2 ] 还指出， 若高强钢筋的使用 比例达 到建筑用钢的 8 0 ％， 则每年可减少钢材消耗 1 0 0 0万 t 左右， 减 少铁矿石消耗 1 5 0 0 万 t 左右， 减少能源消耗 6 0 0万 t 标准煤； 同时， 还可以配合高强度等级水泥的使用， 从而提高建筑质量 和性能； 另外 ， 对混凝土结构工程的施工亦将产生积极影响， 例 如可以减少钢筋用量， 钢筋工程施工量也随之减少 ， 还可以改 善混凝土结构中节点、 基础等部位钢筋密集分布的现状， 有利 于混凝土浇筑， 从而提高施工质量。 因此 ， 节约型绿色建筑用高 强度、 高性能钢筋的开发与应用 ， 不仅可以极大地减少钢筋消 耗量、 节省资源和能源， 还可以减少环境污染、 提高建筑安全储 备能力 ， 将低碳经济和节能减排推进一步㈣。 推广应用高强钢筋 的经济效益和社会效益显著。 总之 ， 4 0 0 、 5 0 0 MP a高强钢筋的推广应用是大势所趋 ， 是 我国混凝土结构的发展方向， 是钢铁行业节能减排、 绿色发展 的重要手段之一。 对于改善} 昆 凝土结构工程的性能、 满足高层建 筑结构应用高强钢筋的需求、 提高建筑的抗震防灾能力和工程 质量 ， 控制资源损失、 降低能源耗费、 减少三废排放以及环境的 可持续发展， 均具有重要的现实意义。 2 推 广应用 高强钢 筋的技 术瓶 颈 建设部的王铁宏总工程师认为[2 】 ， 高强钢筋在建筑行业未 能得到大力普及应用， 问题主要在于技术和推广措施两个层面。 从技术层面上看， 在提高钢筋强度的同时 ， 没有很好地解决钢 筋的延性 、 构件的裂缝控制等问题， 应当通过技术创新来解决 材料本身和其他配套的技术问题。 从推广措施层面上看 ， 我国对 相关标准规范的研究、 制定投入不足， 不能满足发展的需要； 同 时， 高强钢筋的理论研究与实际应用脱节， 科研成果向实际应 用的转化速度较慢； 除此之外， 我国设计、 施工等单位对标准规 范的执行力度也不够。 利用 5 0 0 MP a 高强钢筋代替以往普遍使用的 H R B 3 3 5级 钢筋作为钢筋混凝土受弯构件的纵向受力钢筋， 可以提高构件 的受弯承载力 ； 或者在相同受弯承载力的情况下， 可以减少钢 筋用量 ， 从而取得较好的社会经济效益。 然而， 采用 5 0 0 MP a 高 强钢筋则意味着使用状态下的钢筋应力提高， 构件的裂缝宽度 将增大， 刚度将减小； 同时， 我国老规范的裂缝控制标准又偏严【 ， 这样就有可能使得钢筋的配置不是由承载力控制， 而是由裂缝 宽度和刚度要求来控制 ， 从而使得 5 0 0 MP a高强钢筋的强度得 不到充分利用， 限制其强度发挥， 并使得设计人员对其应用持 谨慎态度， 不利于其推广。 在某框架结构的试点工程[1 5 ] 中 主要 】 22 受力钢筋采用 H R B 5 0 0 级钢筋 就存在这个问题。 针对上述高强钢筋应用中存在的关键技术瓶颈， 新规范在 计算钢筋混凝土受弯构件的最大裂缝宽度时， 调整了计算时的 荷载组合和受力特征系数。 即在计算纵向受拉非预应力筋的应 力时， 采用荷载准永久组合而不是老规范的标准组合 ， 并将反 映裂缝间混凝土伸长对裂缝宽度的影响系数从老规范的 O ． 8 5 降低为 0 ． 7 7 。 经过这样调整后， 新规范的最大裂缝宽度计算值 较之老规范的相应计算值有所降低， 在新老规范裂缝宽度控制 要求基本相同的情况下， 前述问题就有可能得以解决。 新规范 之所以做 出这样的调整， 使得裂缝宽度计算较老规范略有放 松， 主要是考虑到我国现阶段要大力推广应用 5 0 0 MP a高强钢 筋这一现实需求。 随着新规范对裂缝宽度计算的调整， 将会对 4 0 0 、 5 0 0 MP a 高强钢筋在混凝土结构中的推广应用产生较为 积极的影响， 为高强钢筋在混凝土受弯构件中的应用奠定了理 论基础【 。 3 推广应用高强钢筋的政策指导 为解决高强钢筋在工程应用中的关键技术问题， 住房和城乡 建设部标准定额研究所于 2 0 0 9年制定了R J s N T G o 0 7 2 0 0 9 热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则 I ， 其内容主 要有以下几部分 基本规定 、 材料 、 结构分析及极限状态计算、 构造规定、 抗震设计、 施工及质量验收、 附录以及热轧带肋高强 钢筋应用的相关技术资料等。 具体包括 增加 5 0 0 MP a 高强钢筋， 给出高强钢筋的设计参数 ； 调整裂缝宽度计算公式 ， 采用荷载 准永久组合计算钢筋应力 ， 降低构件的受力特征系数 ； 改进钢 筋锚固长度和最小配筋率的计算方法； 调整抗震结构梁、 柱纵 筋的最小配筋率 ； 调整加密区箍筋体积配箍率的计算方法； 给出 钢筋牌号的鉴别方法； 提出钢筋延性要求以及高强钢筋施工、 验 收的注意事项等。 2 0 1 1 年 7 月 6日我国颁布的 建筑业发展“ 十二五” 规划 亦明确指出， 坚持节能减排与科技创新相结合， 发展绿色建筑， 加强工程建设全过程的节能减排， 实现低耗、 环保 、 高效生产； 同时， 要降低碳排放量大的建材产品使用 ， 逐步提高高强度、 高 性能建材的使用比例， H R B 4 0 0及以上钢筋用量要达到总用量 的 4 5 ％。 为落实国务院关于节能减排的工作部署， 促进钢铁工业和建 筑业转变发展方式， 2 0 1 2 年 1 月 4日， 住房和城乡建设部、 工业和 信息化部联合出台了 关于加快应用高强钢筋的指导意见 ， 要 求加速淘汰 3 3 5 MP a 螺纹钢筋 ， 优先使用 4 0 0V [ P a螺纹钢筋， 积 极推广 5 0 0 MP a 螺纹钢筋。 该指导意见明确了加快应用高强钢筋 的路线图， 即 2 0 1 3年底， 在建筑工程中淘汰 3 3 5 MP a 螺纹钢筋； 2 0 1 5 年底， 高强钢筋的产量占螺纹钢筋总产量的8 0 ,4 ， 在建筑工 程中高强钢筋的使用量达到建筑用钢筋总量的 6 5 ％以上； 在应用 4 0 0 MP a 螺纹钢筋为主的基础上， 对大型高层建筑和大跨度公共 建筑， 优先采用 5 0 0 MP a 螺纹钢筋， 逐年提高 5 0 0 MP a 螺纹钢筋 的生产和使用比例； 对于地震多发地区， 重点应用高强屈比、 均匀 伸长率高的高强抗震钢筋； 加强高强钢筋和高强混凝土结构构件 抗震性能的研究， 开展 6 0 0 MP a 及以上螺纹钢筋产品研发。 4结语 高强钢筋在国外已经得到广泛的应用， 为使得我国混凝土 下转第 1 2 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕 l。 0 、 锰 U 5．0 A l A2 A 3 A4 A5 A 6 A7 A 8 图 4 NE L测定的不 同龄期混凝土氯离子扩散系数 3机 理 分 析 众所周知， 渗入混凝上中的氯离子是造成混凝上中钢筋锈 蚀的主要原因。 渗入混凝土中的氯离子在混凝土中有 3种存在 形式 一种是氯离子与水泥矿物熟料的 c 的水化产物硫铝酸 钙反应生成低溶性的单氯铝酸钙 3 C a O A1 O C a C 1 1 0 H O ， 即所谓 F r i e d e 盐旧 ， 这称为氯离子的化学结合； 第二种是氯离子 被吸附到水泥胶凝材料的水化产物中去 ， 即被水泥水化产物内 比表面积不可逆的吸收， 这叫做氯离子的物理吸附 ； 第三种是 氯离子以游离的形式存在于混凝土的孔溶液里 ， 只有这部分以 游离态存在的氯离子达到一定浓度时才会对钢筋造成腐蚀。 混 凝土对氯离子的化学结合与物理吸附的能力统称为混凝土对 氯离子的固化能力。 混凝土中游离氯离子和结合氯离子是同时 存在的， 并保持化学平衡。 当渗人混凝土中的氯离子一定时， 固 化能力越强 ， 则游离态的氯离子越少 ， 其抗氯离子渗入的能力 也越大。 双掺粉煤灰与矿渣微粉， 兼有单掺粉煤灰水泥与单掺矿渣微 粉水泥二者的特点。 在早期， 主要是熟料水化所生成的 C a O H 和掺入的石膏分别作为矿渣微粉的碱性激发剂和硫酸盐激发 剂， 并与矿渣微粉中的活性组分相互作用， 生成水化硅酸钙 、 水 化硫铝酸钙或水化硫铁酸钙。 而在后期， 主要是水泥熟料水化所 析出的 C a O H 通过液相扩散到粉煤灰球形玻璃体的表面， 发 上 接第 1 2 2页 结构用钢与国际接轨， 实现我国经济可持续发展， 高强度 、 高性 能钢筋的开发与应用势在必行。 推广应用高强钢筋， 具有显著的 经济效益和社会效益。 通过政府的大力倡导和各部门的积极配 合以及新规范的实施 ， 5 0 0 MP a高强钢筋将会在实际工程中真 正得 以推广和应用 。 参考文献 [ I J G B 5 0 0 1 0 - 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2 3 ． 『 6 1 B 0 N N Y A， B E N T Z E， T Ho MAS M D A， e t a 1 ． A n o v e r v i e w a n d s e n s i t i v i t y s t u d y o f a mu l t i me c h a n i s t i e c h l o ri d e t r a n s p o r t mo d e l [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 6 8 2 7 8 3 7 ． 作者简介 欧阳东 1 9 6 5 一 ， 教授， 博士生导师， 主要研究方向 节能材 料与结构耐久性。 联系地址 厂东省厂州币暨南大学黄埔大道西 6 0 1 号 暨南大学土木 工程试验楼二楼 5 1 0 6 3 2 联系电话 1 8 6 6 6 0 9 9 3 6 3 版社 ， 1 9 9 8 ． 【 I O ] G B 5 0 0 1 0 -- - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s ] - ] E 京 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． 【 1 1 ] G B 1 4 9 9 ． 2 2 0 O 7 ， 钢筋混凝土用钢第 2部分 热轧带肋钢筋[ s 1 _ ] E 京 中国标准出版社， 2 0 0 7 ． [ 1 2 】 汪红蕾． 中国建硎 进入高强钢筋时代f J 族} 筑， 2 0 1 1 ， 5 8 1 9 6 - 1 1 ． [ 1 3 ] 范玫光， 林双平， 赵军． 节约型绿色建筑用高强高性能钢筋应用关键 技术f J 1 ．施工技术 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 1 6 1 9 ． [ 1 4 垮 春秋， 陈肇元． 荷载作用下混凝土构件裂缝控制的若干问题【 J ] ． 建 筑结构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 1 1 1 4 1 1 9 ． 【 1 5 ] 于秋波， 刘立新， 谢丽丽， 等． H R B 5 0 0级钢筋某试点工程的经济分 析 [ J ] ． 建筑科学 ， 2 0 0 9 ， 2 5 9 1 0 8 1 1 0 ． 【 1 6 ] 张红霞． H R B 4 0 0 、 H R B S 0 0 钢筋在混凝土受弯构件中的应用分析[ J ] ． 青海大学学报， 2 0 1 2 ， 3 0 2 1 0 1 3 ． [ 1 7 ] R I S N --T G 0 0 7 --2 0 0 9 ， 热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术 导则[ s 】 E 京 中国建筑工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 1 8 】 中华人民共和国住房和城乡建 “ 十二五 规戈 f o wo u ． [ 2 0 1 1 - 0 7 0 6 ] h t t p ／ ／ w w w．mo h u r d ． g o v ．c n 【 1 9 ] 中华人民共和国住房和城乡建设部， 工业和信息化部． 关于加快应用 高强钢筋的指导意见[ D B ／ O L ] ． [ 2 0 1 2 - 0 1 04] h t t p ／ ／ w w w ．m o h u r d ． g o v ． c a 作者简介 联 系地址 联 系电话 杜毛毛 1 9 7 9 一 ， 男， 博士， 讲师， 主要从事混凝土结构方面 的研究 。 福建嗄门集美大道6 6 8 号 华侨大学土木工程学院 3 6 1 0 2 1 O 5 9 2 6l 6 6 2 O1 1 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m