建筑工程钢筋的应用及其质量控制.doc

1、1建筑工程钢筋的应用及其质量控制【摘 要】 普通强度钢筋作为建筑结构主体用材无法满足建筑物强度及耐久性需要。建筑体型庞大各种功能复杂的工程项目及基础设施工程,需要选择性能更好强度更高的建筑用钢筋。研发低成本高性能的建筑用钢筋是需要解决的重要问题。 【关键词】 结构钢筋;高强度钢筋;砼结构设计;经济可行性 【中图分类号】 TU511.32 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)03-059-03 Application of steel construction and its quality control 【Abstract】 Ordinary strength st

2、eel timber as the main building structure can not meet the needs of building strength and durability. Various features of the giant complex construction projects and infrastructure projects, need to choose better performance and higher strength steel construction. R High strength steel; Concrete str

3、ucture design; Economic feasibility 2建筑技术多年来发展相对较慢,在钢筋使用上普通强度一直是建筑工程应用最广泛的结构主材。近年来随着经济的逐步提高和基础建筑市场的繁荣,普通强度钢筋作为建筑结构主体用材无法满足建筑物强度及耐久性需要。建筑体型庞大各种功能复杂的工程项目及基础设施工程,需要选择性能更好强度更高的建筑用钢筋。在节省能源绿色环保的世界环境下,作为能源消耗大户的建筑业,研发低成本高性能的建筑用钢筋是需要解决的重要问题。 1 建筑用钢筋的发展状况 国内建筑用钢筋的生产应用经历了由低强度和高强度发展的过程。在上世纪 5060 年代钢筋使用的品种仅为碳素钢

4、Q2351 级光圆和少数变形钢筋。在此条件下一些工程因实际需要必须采用较高强度的钢筋或钢丝,多由项目建筑部门自行利用钢筋冷拉或冷拔工艺提高强度,而牺牲塑性达到强度的目的,而冷拉或冷拔低碳钢筋钢丝可达 550MPa。进入 70 年代冶金系统大量研发应用低合金钢产品,在建筑用钢筋中推出 16Mn级钢筋,25MnSi级钢筋,45MnSiV,40Si2MnV 和 45Si2MnTi 等钢筋及预应力钢丝,钢绞线 1570Mpa 等建筑用钢材。在此时所用级钢筋和25MnSi(370MPa)的强度虽然确定为 400MPa,但是存在因性能不稳定,焊接质量也达不到使用要求,且与级钢筋强度相差不大等原因,用量还不

5、足10%。80 年代的低合金钢采取了低合金化,轧后余热处理等工艺,研制出了400MPa 新级钢筋,使建筑钢筋有大的提高。针对结构设计及使用中存在3的问题,对 400MPa 新级钢筋进行从材料到焊接和各种配筋性能进行研究,为 400MPa 新级钢筋用于工程作出了努力。在 1991 年制定的“钢筋砼用热轧带肋钢筋”和“钢筋砼用余热处理钢筋”规程中将 400MPa 新级钢筋纳入。1996 年“砼结构设计规范”进行局部修改,列入了标准强度为 400MPa 和 540MPa 的级和钢筋。1998 年制定的国家标准“钢筋砼用热轧带肋钢筋”纳入了 HRB500 级钢筋与 HRB400 级钢筋,并制定了500

6、MPa 级钢筋的各项性能指标要求。 在进入 21 世纪初在“砼结构设计规范”(GB50010-2002) 中明确将HRB400 级钢筋规定为砼结构使用的主导钢筋品种,但并没有专门针对如何使用 HRB400 级钢筋给出规定,而是在有关的构造措施上适当改进。2000年以后,HRB500 级钢筋由首钢和承德钢铁公司研制成功并进行生产,其各项性能指标都能达到国家标准”钢筋砼用热轧带肋钢筋”(GB1499-1998) 的规定,也达到了欧洲砼协会-国际预应力协会模式规范 MC90 规定的 S 级(忧质)延性钢筋的指标。欧洲规范“建筑结构抗震设计规范”(ENV-8)对于抗震结构 H 类高延性钢筋的要求。需要

7、重视的是在“砼结构设计规范”(GB50010-2002)修订中,为突出重点有序推广 HRB400 级钢筋,由相应的HRB500 级钢筋砼结构的试验资料不够充分,当时延缓了 HRB500 级钢筋纳入“砼结构设计规范”(GB50010-2002)之中。 2 结构用钢筋的现状及问题 多年来建筑工业的发展相对不快,高强度的钢筋推广应用存在一些阻力和难度,而 HRB335 级热轧钢筋仍然是现在建筑市场用量最大的主要结4构材料。此类钢筋作为应用多年成熟的品种用于非预应力构件,因其强度较低导致结构构件与节点配筋率偏高,使梁柱节点配筋率集中范围施工难度大,且保证不了强度要求,因而制约了建筑物使用耐久性的需求。

8、在社会进入信息化时代,尽管全钢结构,型钢和钢管砼结构在高层及大跨度建筑中被较多采用,但是在量大面广的建筑主体,钢筋砼结构中仍然是应用最多更具特色的结构形式。也会伴随着社会经济的发展,建筑形式及功能的复杂多样化,建筑用钢筋强度等级偏低的现状己完全不能适应新形势下发展的需要。比较现在同欧美发达国家建筑用钢筋的实际,存在这一些明显的差距,主要体现在以下一些方面。 2.1 在设计理念上有差异。发达国家有较高的结构安全度,是依靠高强度的材料来实现;而我国由于高强度的材料并不是很多,较高的结构安全度是通过更多的低强度材料的多用量来实现的。 2.2 在材料的应用上有差异。发达国家 500MPa(即新级钢筋)

9、强度的钢筋大面积使用,而 400MPa 以下的钢筋却较少使用。500600MPa 的钢筋用量达到 95%以上,这其中既有微量合金钢筋,也有余热处理钢筋,而余热处理钢筋使用十分广泛。而国内到目前为止在钢筋砼结构用钢,79%左右用量为 HRB335 钢筋,HRB400 钢筋用量只有 30%左右,级以上钢筋产量及用量更加少。 2.3 长期以来由于我国冶金生产满足不了建筑用钢筋需要,价格较高的因素影响,建筑工程使用的高强度钢筋发展很慢。现阶段 400MPa 级低合金筋的应用仍然处于起步阶段。而余热处理钢筋因现行规范要求强屈比必须大于 1.25,且因焊接后接头强度有所退火降低,在许多建筑上极少5采用。现

10、在如欧洲希腊地震较多地区在建筑上大量使用余热处理钢筋,其规定强屈比大于 1.1 即可,以现在国内外钢铁企业的加工技术完全能够确保这一技术指标的。国外余热处理钢筋的广泛使用表明,在普通建筑物上使用是可行可靠安全性更好的选择。 2.4 从使用效果上分析,低强度钢筋的大量使用,其结果是既造成结构上的肥梁胖柱,又增加砼用量及施工难度,更加消耗了资源和能源,加大了冶炼过程的污染,更加不利环保及节能减排。 通过分析表明在社会经济步入快车道的今天,这种用低强度钢筋用于钢筋砼结构主材的情况不能满足当今大跨度高强结构体的需要,为促进建筑技术的提高和走可持续发展道路,从提高调整建材消耗结构,大力推广使用高强钢筋和

11、使用高强砼,通过使用高强材料达到节省用量减排节能目的。推广使用高强钢筋降低钢筋使用量是今后土木工程的发展方向,也是钢筋砼结构耐久性的重要保证。 现行的钢筋砼结构设计规范(BG500102002)中确定的高强钢筋是HRB400 和 RRB400 级钢筋。其中 HRB400 级钢筋是通过在钢的成分中掺入少量合金元素使得低合金化,达到生产出低碳,高强度,韧性好,可焊性好的钢筋。它具有生产工艺简单,材质稳定,物理性能优良的特点。RRB400级钢筋则是利用余热处理原理,采用热轧普通钢筋进行控制冷却并经自回火工艺生产,具有高强度和一定的韧性特点。 HRB400 和 RRB400 级钢筋的力学性能指标基本相

12、同,因为同是 400MPa级;但余热处理钢筋延性和强屈比稍微低一些,两者焊接性能有-定差异,因此在进行采用时两种钢筋的使用范围也要考虑。热轧钢筋 HRB 系列 Agt6规定不小于 7.5%,伸长率为 1617%,可适用于有高延性要求的配筋结构件,当达到结构设计所要求的钢筋屈服强度上限和强屈比的要求后,完全可以满足各类结构,如一二级抗震结构的设计和使用要求。余热处理钢筋RRB 系列其 Agt 规定不小于 5.0%,延长率为 1416%,能适用于一般建筑结构及抗震等级为三四级结构的设计及使用需要。 据介绍采用钒铁钒氮合成低合金化工艺生产的 HRB400 级钢筋的强度可以提高 1620%,且因含钒具

13、有较高的抗弯曲度和时效性能,较高的周期疲劳性能,抗震性能明显优于级螺纹钢筋,成本只增加 7%左右。按照不同牌号钢筋的设计强度,采用 HRB400 级钢筋可以比级螺纹钢筋节省用钢量 14%,经济效益比较明显。但是也存在国内对钒铁和钒氮合金需求量的增加,国际市场价格波动大使生产 HRB400 钢筋比生产 HRB335 级钢筋效益不能提高。因此从降低成本节省资源方面考虑,钢筋生产企业和建筑业用户都急切需要研发 500MPa 级以上的低成本高性能的钢筋产品。 3 建筑业需要高强度的钢筋 生产高强度尤其是新材料要同现有材料共同配合才能发挥更有效性,这就需要深入考虑新材料与既有材料的共同协调与有效搭配,使

14、各种材料自身特点得到充分发挥,对于高强度的钢筋而言一般从两个方面进行分析,即技术和经济两个层面,其中技术匹配应是先决条件。 3.1 技术上可行性考虑,钢筋和砼之间能够共同工作,是由它们自身的材料性质决定的。首先,钢筋与砼之间有着近似相同的线膨胀系数,即钢筋为 1.210-5/;而砼为 1.01.510-5/,当环境温度变化时,两种7材料之间不会由于温差引起变形而使粘结遭受破坏。从普通砼到高强砼,普通钢筋到高强钢筋,砼和钢筋的线膨胀系数不会产生变化,因此形成的共同工作条件仍然存在并不出现问题。另外钢筋与砼有者十分良好的粘贴握裹力,钢筋的表面通过加工形成不同纹路的肋条,俗称螺纹钢筋,以此来达到两者

15、之间的机械咬合力。当仍然不能达到传递钢筋与砼之间的拉应力时,在施工时将钢筋两端按要求留置的一定长度弯曲 90进行锚固,增强了粘结长度及共同工作的可靠性。另外砼中的氢氧化钙提供的碱性环境,也能在高强钢筋表面形成一层钝化保护膜,使钢筋在相对于中性与酸性环境下不容易产生腐蚀。事实表明:高强钢筋与高强砼的粘结锚固破坏形式,粘结机理与普通钢筋与砼的粘结相同,钢筋与砼协同工作的基础-粘结与锚固与普通钢筋与砼的结构是一致的,因此不存在任何匹配问题。 3.2 经济可行性的考虑,钢筋的标准设计值规定 HPB235 为210,HRB335 为 300,HRB400 为 360,HRB500 为 420(N/mm2

16、);从强度设计值可以看出,用同样截面的钢筋,HRB400 级比 HRB335 级增加了60N/mm2,HRB500 级比 HRB335 级增加了 120N/mm2,理论上 HRB400 级比HRB335 级增加钢筋节省 16.67%,HRB500 级比 HRB335 级筋节省了28.57%。按照现在使用 HRB335 级钢筋计算普通民用建筑,每 m2 钢筋综合平均用量 50kg 计算(公共建筑按 m2 钢筋 90kg),采用 HRB400 级最保守也可节省 15%,即民建每 m2 可节省钢筋 7.5kg,公共建筑每 m2 可节省钢筋13.5kg。若是市场价 3500 元/t 计算,民建每 m2

17、 可节省 26.25 元(或公建47.25 元),如果改用 HRB500 级会省更多费用。 一般而言钢材强度等级每提高 100MPa,可减少用量 610%。按高性8能建筑钢筋节省 8%用量计算,建筑业可减少用钢量 1600 多万 t,节能减排及运输费用是极其可观。采用新工艺效果将更加明显。 4 开发高性能钢筋应用于工程 用低成本生产出高性能的钢筋,是钢筋生产企业以较低成本通过添加合金材料或余热处理工艺下得到的达到甚至超过 500MPa 的钢筋产品。而钢筋的其它力学性能指标仍然符合国家相关规范要求。以微量合金为例,通过采用先进生产工艺超细化技术,大幅度降低合金元素用量,只需在钢材中添加接近下限的

18、合金元素用量,并改变晶粒结构即发挥钢材的强度潜力,提高钢筋强度至需要的 500MPa 或者更高,也改善了材料的力学性能。 现行国家标准“钢筋砼用热轧带肋钢筋”GB14991998 中规定的HRB500 级和 HRB400 级钢筋的性能指标见表。 表 HRB400 级及 HRB500 级钢筋的性能指标 从表中可以看出不同直径的钢筋按相应的弯心直径进行弯曲试验,冷弯 180不产生裂纹,钢筋实际检验抗拉强度之比大于 1.25,碳的含量不大于 0.55。如果简单的按等强代换,HRB335 设计强度取值为300MPa,HRB400 取值为 360MPa,HRB500 级取值为 420MPa。也是说在计算

19、强度配筋的砼结构工程中,用 HRB500 级筋代替 HRB335 钢筋,可以节省用钢量达 28%以上,若是代替 HRB400 级筋节省用量 28%左右,其经济效益是显而易见的。 尽管上述标准中规定使用 HRB500 级和 HRB400 级钢筋,但因应用试验资料比较少,并没有列入现行的砼结构设计规范 GB500102002 中,但研究9和工程应用都是肯定的。500MPa 微量合金钢筋和余热处理钢筋的研究也比较少。随着建筑使用的需求在砼结构中会将这些强度钢筋列入结构规范中应用。 综上浅述在建筑行业开展节能减排任务繁重,在建筑物寿命全周期衡量能耗对环境的影响,使用低成本高强度钢筋,节省钢材用量达到对

20、资源的节约。同时由于高强度钢筋在建筑工程构件中,可以减小截面尺寸,减轻结构自重,减少工程量即降低成本。在现今提倡使用高强度钢筋有显著的社会和经济效益,实现节约型和社会友好型社会作出战略性保证。 参考文献 1 李空军等.高强钢筋在砼结构中的应用J.广东土木与建筑,2008(5):1517 2 王希伟等.高强钢筋与高强砼的匹配问题J.基建优化,2006(4):101104 3 邢丽.砼结构对新材料的挑战J.科技资讯,2005;22:67 4 姚仲贤.当前砼结构中使用的主打钢筋HRB400 级钢筋J.建筑技术,2004(11):860861 5 裴智等.HRB500 钢筋的研究开发与应用J.建筑结构学报,2003(8):2829