我国混凝土结构设计规范中钢筋的优化选择

1、我国混凝土结构设计规范中钢筋的优化选择 1 汶川震害中的钢筋问题1.1 汶川震害中钢筋的表现2008年发生的汶川地震造成了不少房屋倒塌和人员伤亡。其中许多结构的倒塌与构件的破坏形态有关，而这又在很大程度上取决于构件中的配筋。因此认真分析汶川震害中各种钢筋的表现，就具有很重要的实际意义。严格说来，地震作用不是力而是强迫位移。因此构件的变形能力（延性）对结构的抗震性能有很大的影响。单纯的脆性砌体结构大多在地震中倒塌（图1）；而有圈梁构造柱的砖砌房屋则大多“裂而不倒”（图2）。究其原因是得益于圈梁构造柱体系中配置延性较好热轧钢筋的围箍约束作用，致使砖砌墙体的过大变形得到控制，从而具有了一定的延性。而

2、对于混凝土构件，是否发生钢筋断裂引起的脆性破坏或造成结构倒塌，则更是取决于构件中配置钢筋的力学性能主要是强度和延性。下面分别加以介绍。 图1 无约束脆性砌体结构房屋倒塌图2 配筋圈梁-构造柱围箍-约束下的砌体裂而不倒 1.2 冷加工钢筋的脆断地震造成伤亡的重要原因是砖混结构中装配式楼盖的解体、断裂和坠落。图3是冷拨低碳钢丝圆孔板断裂破坏的照片。预制板坠落的原因是支承砖墙的倾覆和装配式楼盖整体性不良。而预制板断裂则是由于冷加工钢筋延性太差，地震时在坠物撞击下断裂而造成构件解体。上世纪末以来改进构造措施而加强了楼盖整体性以及与支座的锚固连接，并改用冷轧带肋钢筋作预应力配筋。图4为冷轧带肋钢筋圆孔板

3、破坏的照片。成排悬挂的预制板表明：楼盖整体性及与支座的锚固己得到改善，但预制板断裂说明冷轧带肋钢筋的延性仍然很差。图5为配置冷轧扭钢筋楼梯板断裂的照片。结构中斜置的楼梯在地震中承受反复拉压作用，造成构件断裂的主要原因仍是冷轧扭钢筋延性太差。在经济不发达，物资匮乏的年代，我国曾普遍采用对钢筋进行冷加工（冷拉、冷拔、冷轧、冷扭）而提高钢筋的强度，从而节约配筋。但强度有限的提高是以大幅度牺牲延性为代价得到的，因此往往导致脆性断裂。 图3 冷拨低碳钢丝圆孔板断裂坠落图4 冷轧带肋钢筋圆孔板断裂悬挂图5 冷轧扭钢筋楼梯板断裂 有关的试验、调研表明：HPB235热轧钢筋在最大力下的总伸长率gt（均匀伸长率

4、）约20%；而冷加工后仅为2%左右。这种延性的大幅度损失，使其在受拉变形不大时即吿断裂，这就是我国冷加工钢筋配筋构件经常发生脆断（破坏标志3）的根本原因。尤其预应力配筋，钢筋在承载受力前已由于张拉而损失了强度的70%左右。承载受力后应力应变能够增长的裕量已很有限，加上延性（变形能力伸长率）较差，就很容易在变形不大的情况下发生无预兆的脆性断裂。因此国外从无用冷加工钢筋作预应力配筋的先例。此外塑性内力重分布需要受力钢筋大幅度变形的能力（塑性铰），冷加工钢筋的适用性存疑。1.3 热轧钢筋的抗倒塌谮力我国的热轧钢筋HPB235（Q235）、HRB335（20MnSi）、HRB400（20MnSiV）延

5、性较好，均匀伸长率gt较大：标准规定10.0%、7.5%，实际均超过15%。因此即使在钢筋屈服以后，强度和变形还可以有很大的增长而不致于断裂。由此大大改善了配筋构件的抗震性能，从而避免了混凝土构件的断裂和结构倒塌。汶川震害调查表明，热轧钢筋尽管强度相对并不高，但抗震效果很好。同样是楼梯板，遭受了强烈的反复拉-压作用后构件的混凝土早己断开，但配置热轧钢筋的楼梯板构件仍未断裂，从而避免了倒塌（图6）。图7的混凝土大梁配置了一定的热轧钢筋，在地震造成支承砖柱倒塌后，其仍以“梁”的形式继续承载受力而未发生断裂、倒塌。图8和图9是地震后的两座危楼。由于在圈梁中配置了一定量的热轧钢筋，且跨内为无搭接的连续

6、配筋并在支座处可靠锚固。因此在下部结构塌垮而失去支承的情况下，尽管构件己发生很大的变形，但仍以“悬索”和“悬臂”的形式继续承载受力而未发生断裂、倒塌。这就是结构抗倒塌设计中的梁拉结模型、悬索拉结模型和悬臂拉结模型。可见，具有一定强度和优良延性的热轧钢筋，在地震作用大幅度变形的情况下，对于结构的抗倒塌起到了重要的作用。 图6 经受地震作用的楼梯板图7 抗倒塌的梁拉结模型图8 抗倒塌的悬索拉结模型 图10是已局部倒塌的砖混结构。可以看出，尽管砌体结构已塌垮，但配置在圈梁中的热轧钢筋仍未断开。这种“藕断丝连”的现象随处可见，它说明热轧钢筋具有良好的延性。 图9 抗倒塌的悬臂拉结模型图10 倒塌结构中

7、热轧钢筋藕断丝连现象 1.4 围箍钢筋的约束作用配筋圈梁构造柱的围箍约束对提高砌体抗震性能的作用前已有述（图2）；同样箍筋对提高混凝土柱的抗震性能也有明显的作用。图11为某高层框架底柱的状态。地震的反复作用己使柱脚混凝土裂缝、破碎。但由于密集箍筋的围箍约束，维持了混凝土“碎而不散”，故仍氶受了巨大的上部荷载而未发生结构的倾覆、倒塌。而提供围箍约束作用的箍筋则由于承受了很大的拉力，己张开或拉断，围箍作用的受力程度可见一斑。 图11 约束混凝土虽破碎仍能承载 图12 无约束混凝土柱的压溃图13 底柱压溃而引起的框架倒塌 图12的柱中纵向受力配筋置不少，但配箍不足，稀疏的几根箍筋无法对芯部混凝土提供

8、有效的约束。在地震作用下混凝土裂缝、破碎后，失去围箍约束的混凝土碎块撒开、坠落，柱子即丧失承载能力而被压溃。而底柱压溃则往往引起混凝土框架结构倒塌（图13）。传统观念中箍筋只起纵筋定位和承受剪力的作用，故限用低强钢筋。试验研究和震害调查表明，箍筋的围箍约束作用大大增强了受压柱的承载能力和延性（变形能力）。就象原本设有抗力的散体沙子，装入易拉罐后压紧就具备了抗力一样。通过围箍约束配筋而开发、提高混凝土构件的抗力，将是今后混凝土结构研究的重要方向，也对钢筋提出了新的要求。2 混凝土构件的破坏形态与结构安全2.1 混凝土构件的破坏标志及形态混凝土构件承载力不足而发生破坏有严格的定义，表1列出了达到破

9、坏时的标志及破坏形态。试验研究时以此判断构件的结构性能，也是混凝土结构设计的依据。构件破坏的形态大体分为三类：延性、非延性和脆性，不同形态破坏的后果是大不相同的。 表1 混凝土构件破坏的标志和形态 受力状态序号破坏标志破坏形态受弯、大偏心受压1弯曲挠度达到构件跨度的1/50延性2受拉主筋处的裂缝宽度达到1.50mm延性3构件的受拉主筋断裂脆性4弯曲受压区混凝土受压破碎非延性受剪5构件腹部斜裂缝宽度达到1.50 mm非延性6斜裂缝末端受压区混凝土破碎非延性7沿构件斜截面混凝土裂缝、破碎非延性8冲切侧面斜裂缝、冲切顶面底面环状裂缝非延性9沿构件叠合面、接槎面出现剪切裂缝非延性受扭10构件腹部斜裂缝

10、宽度达到1.50 mm延性受压11受压构件侧面混凝土裂缝、破碎非延性12局压面破碎、局压区纵向劈裂裂缝非延性锚固、连接1受拉主筋在端部滑脱或其它形式的锚固失效脆性14受拉主筋在连接接头处传力性能失效脆性应该注意的是：“脆性破坏”（标志3、11、12）与钢筋断裂、锚固和连接失效引起的传力中断有关；而“延性破坏”（标志1、2、9）的挠度和裂缝宽度则与钢筋的变形性能有关。2.2 构件的破坏形态与结构安全“延性破坏”通常表现为构件过大的变形（挠度）和裂缝，以致明显地影响使用功能并对用户造成不安全感。但其与构件解体、结构倒塌等现象还有很长的过程。“脆性破坏”则带有突发性质，在预兆不明显时即快速发展，造成

11、构件断裂、结构倒塌等后果。界于两者之间的“非延性破坏”，破坏现象发展较快，但达到破坏标志尚有一个过程，通常表现为严重裂缝、破碎、过大变形等混凝土的破坏现象，一般尚不至于引起构件断裂或倒塌的严重后果。近年很多偶然作用造成构件断裂，引起了结构解体、倒塌，导致人员伤亡和财产重大损失。作为抗灾性能的重要内容，有关结构整体稳固性（Rubustnees鲁棒性）对安全的影响受到重视。与此相关，对结构材料性能（特别是延性）及构件破坏形态的研究也逐渐深入。2.3 材料强度及延性的影响混凝土是脆性材料，不能承受拉力而只能受压，而且容易发生裂缝、破碎而最终被压溃。由于钢筋承担了全部拉力，并且只有靠钢筋的围箍约束，才

12、使混凝土构件能够承受各种荷载和内力。因此钢筋的力学性能对混凝土构件的结构性能及破坏形态有着决定性的影响。传统结构设计重视钢筋的强度，并取其屈服强度作为强度设计的依据。但近年许多结构倒塌事故的调查分析表明：钢筋的极限（抗拉）强度ft以及相应最大力下的总伸长率gt，亦即钢材的延性（变形能力）对结构的安全同样具有重要而直接的影响。因为钢筋的屈服只引起截面的过大变形，甚至可以成为塑性铰继续承载受力，而并不致于断裂。但钢筋断裂引起的构件解体，则往往会导致结构倒塌而引起严重后果。2.4 配箍对混凝土约束的影响传统的混凝土结构理论只考虑混凝土在单轴应力状态下的强度，而实际工程中混凝土往往处于多轴应力状态的应

13、力场中。近年混凝土力学的研究表明：如果考虑三轴受力状态的侧压，则混凝土的抗压强度将大幅度提高；同时延性（变形性能）也获得改善。例如，侧压为轴力的0.1时，强度将提高为1.8倍；0.2时为3倍；0.3时为5倍（图14）。 图14 混凝土的应力状态及其强度图15 混凝土柱中配箍围箍约束的机理 混凝土柱如果不配箍，则在轴压下很快压溃。加强配箍后，轴压所引起的侧向膨胀（波桑比）受阻于箍筋产生环向拉力的侧压，芯部混凝土将处于三轴应力状态，因而抗力（强度和延性）将获得极大的提高（图15）。这就是地震后许多配箍较强柱子“裂而不倒”的原因。近年采用强度较高的箍筋，以各种封闭配箍形式（连续螺旋箍或焊接箍）加强围

14、箍约束作用，进行了试验研究并开始工程应用，取得了较好的效果（图16）。采用更先进的混凝土力学方法指导研究，进一步开发约束混凝土抗力的巨大潜力，是混凝土理论的重要发展方向。同时也对用作配箍钢筋的性能提出了更高的要求。 图16 连续螺旋箍及焊接封闭环式箍 3 混凝土结构对钢筋性能的要求3.1 钢筋性能的影响强度：高强钢筋有利于提高承载力，但延性降低；且受到刚度、裂缝的制约而有一定限度。延性：变形性能对破坏形态及安全有很大影响；无预兆的脆性破坏危险；延性破坏比较安全。锚固性能：钢筋与混凝土共同受力的基础；锚固性能取决于钢筋外形，有待优化改进。预应力传递性能：先张法筋通过自锚建立起预应力的能力；其影响

15、预应力筋的传递长度。可焊性：钢筋焊接连接的性能与碳当量有关，碳当量高时不易焊；0.55以上不可焊。机械连接适应性：强度集中于表层的钢筋表面太硬，不易加工连接螺纹，且会造成强度损失。热稳定性：冷加工、热处理而提高强度的钢筋，在受热后（焊接、火灾）强度会降低。疲劳性能：反复荷载作用下的钢筋强度降低；与钢筋材质及其外形有关。耐久性：钢筋电化学腐蚀而影响使用年限，钢筋冷加工及预应力状态会降低其耐久性。冷弯性能：加工钢筋时，冷加工钢筋弯曲或反复弯曲后容易裂缝、折断，施工适应性差。质量稳定性：规模生产的钢筋质量稳定；二次加工匀质性较差；作坊式生产的钢筋质量差。规格：工程应用中细筋、粗筋及某些规格的钢筋经常

16、短缺，造成施工不便。供货状态：直条筋须切断、连接、造成余料；盘卷筋须调直；钢筋定长供货可以减小施工量。附加工序：光面钢筋须加弯钩，施工不便；盘圆钢筋须调直；直条筋切断余料再用须对接。成品刚度：细直径钢筋施工时易变形、移位；焊接网片、预制骨架刚度大，形状准确。经济性：取决于钢筋的强度价格比（MPa.kg/元）；一般高强钢筋具有价格上的优势。3.2 强度及对承载能力的影响钢筋承受拉力，因此强度越高，混凝土构件的承载能力就越大。但高强通常伴随延性减小；且变形模量不変，高应力带来的大伸长变形受制于混凝土的裂缝宽度和构件挠度，故钢筋的高强度有一定的限制。仅预应筋的高强度可以通过预张拉，有条件地加以利用。

17、3.3 伸长率对断裂耗能的影响传统的断口伸长率只反映颈缩区域的残余伸长，不是钢筋变形能力（延性）的真正标志，只有钢筋断裂前达到的最大力下的总伸长率gt（均匀伸长率）才是延性的真正标志。钢筋断裂导致构件解体、结构倒塌，是对安全的最大威胁。而地震、沉降等作用并非力（荷载）而是强迫位移。因此延性（变形能力）对结构安全有决定性的影响，其重要性并不亚于强度。综合考虑强度和变形的影响，图17中钢筋本构关系曲线下积分面积所代表的断裂耗能W才是钢筋抗力的真正指标。热轧钢筋断裂耗能约为7000 Nm/Kg；预应力钢丝、钢铰约为6000-7000 Nm/Kg；而冷加工钢筋约为1000-1500 Nm/Kg左右。这

18、就解释了地震时许多强度高的冷加工钢筋（硬钢图中虚线），由于延性差而断裂，造成了房倒屋塌；而强度并不高但延性好的热轧钢筋（软钢图中实线），却维护住了结构的整体稳固性而避免了倒塌。3.4 强屈比对破坏形态的影响除伸长率外，钢筋抗拉强度ft与屈服强度fy的比值强屈比（ft /fy）对破坏形态（延性）也有很大的影响。热轧钢筋（软钢）强屈比一般都在1.20以上，从屈服到断裂有很长的过程，破坏有明显的预兆，延性优良。 图17 钢筋的强度、伸长率和断裂耗能 图18 钢筋的本构关系及强屈比 冷加工钢筋及预应力筋（硬钢）本构曲线没有明显的屈服点。图18为抗拉强度ft和伸长率gt基本相同的两种钢筋的本构曲线示意。

19、钢丝、钢绞线的非线性段具有渐変的性质（实线），通常取抗拉强度的0.85为条件屈服强度，故强屈比较大。钢棒在屈服强度fy后很快就达到抗拉强度ft而被拉断（虚线），强屈比相对很小，仅比1稍大一些。这样的钢筋即使强度、总伸长率及断裂耗能也不小，但受力时在荷载作用下钢筋在屈服后迅速发展而断裂，缺乏必要的过程和预兆，破坏往往呈穾发的脆性性质，也应认为延性差而不安全。因此，强屈比（ft /fy）也是钢筋延性的重要标志。3.5 施工适应性能的影响从工程应用的角度考虑，钢筋的施工适应性也对结构安全有很大的影响。钢筋的质量稳定性、冷弯性能、可焊性、机械连接性能、热稳定性（焊接、火灾）、附加工序（弯钩、调直、对接

20、）、耐久性等都与其力学性能及构件的破坏形态有关，因而也对安全造成了影响。综上所述，混凝土结构对钢筋性能提出了许多必要的要求。其中强度和延性对结构安全有着重要的影响。传统重视强度而忽略延性的观念必须纠正。钢筋在提高强度的同时，应保持必要的変形能力延性，表规为最大力下的总伸长率和强屈比。4 钢筋的优化及应用4.1 提高钢筋强度的途径提高钢筋强度是冶金及建筑部门的共同目标，但不同类型钢筋的综合效果不尽相同。低合金化：在碳钢中加入锰（Mn）、硅（Si）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）等元素可提高强度，并保持较好的延性和施工适应性。其金相组织均匀，成分为铁素体加珠光体，无影响使用性能的其它组织存在，如

21、图19（1）所示。细晶粒化：通过控轧、控冷工艺使晶粒度不粗于9级而提高钢筋强度，并保留一定延性。其金相组织如图19（2）所示，主要成分为铁素体珠光体，外围有不连续局部的回火马氏体。余热处理：钢筋轧制时淬水余热处理而提高强度，但延性损失且影响施工适应性。其金相组织如图19（3）所示，可以看出，硬脆的高强回火马氏体组织集中在钢筋表层。冷加工：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷镦可以提高钢筋的强度，但延性、施工适应性变差。综合处理：对拔（轧）制钢丝进行短时热处理而获得高强度并保留一定延性，常用作预应力钢丝；或捻制成预应力钢绞线。 （1）低合金普通热轧钢筋HRB （2）细晶粒热轧钢筋HRBF（3）余热处理钢筋

22、RRB图19 不同类型钢筋的金相组织 4.2 钢筋外形的分析及优化影响钢筋性能的外形参数有：基园面积率、相对肋高、相对肋间距、肋面积比、齿肋比、横肋的圆周角、横肋的对称性等。图19为我国各类钢筋的形状，下面分别进行分析。 图20 各类钢筋的形状 光圆钢筋：基园面积率最大 (1.00)，但锚固性能差，须加弯钩受力，将逐渐淘汰。等高肋钢筋：基园面积率不足0.90，强度削弱过多，外形不合理，己被淘汰。月牙肋钢筋：基园面积率约0.94，锚固性能良好但有方向性，是目前受力钢筋的主要形式。预应力钢绞线及螺旋肋钢丝：基园面积率大，且锚固性能好，是目前预应力筋的主要形式。预应力螺旋槽钢棒：混凝土咬合齿薄弱，锚

23、固性能差，应向螺旋肋外形靠拢。冷轧带肋钢筋：基园面积率有待提高，为改善锚固性能，应向螺旋肋外形靠拢。冷轧扭钢筋：外形也有待改进，应向螺旋肋外形靠拢。刻痕钢丝：削弱了截面，而咬合齿太浅，锚固性能不良，已趋于淘汰。我国钢筋的外形有待优化选择，就基园面积率和锚固性能而言，螺旋肋外形最具优势。4.3 钢筋的优化及选择面对我国混凝土结构用钢筋的现状及汶川震害调查分析的结果，现有钢筋应进一步优化。总的趋势是提高强度、延性和加工适应性，并根据各自特点选择适当的应用范围。纵向受力钢筋宜采用强度400、500MPa的HRB普通热轧带肋钢筋，以及HRBF细晶粒热轧带肋钢筋。抗震结构的主要受力钢筋宜采用带后缀“E”

24、的高延性抗震钢筋，其最大力下的总伸长率不小于9%；强屈比不低于1.25。余热处理的RRB钢筋延性较差，可用于对延性要求不高的次要构件、基础或大体积结构中，以节约合金资源。低强的HPB235MPa光面钢筋应予淘汰，代之以300MPa钢筋，并进一步合并强度335MPa级而改成帯肋钢筋，用作辅助配筋。最终形成300、40、500MPa级的合理强度级差。预应力配筋宜采用强度1570MPa及以上的高强螺旋肋钢丝及钢绞线，最大力下的总伸长率不应低于3.5%。刻痕钢丝应予以淘汰。预应力 (PC) 钢棒应提高延性并改进外形。此外，应发展用作中小跨预应力构件的强度1000MPa及以下的中强钢丝；并且应通过试验研

25、究及工程应用探讨其作为约束混凝土配箍的可行性。冷加工钢筋作为细直径受力钢筋以及辅助配筋，应予以保留并进行优化。但应减小冷加工的面缩率并可通过适当的热处理（回火）恢复必要的延性。外形上拟向螺旋肋靠拢，以提高基圆面积率并改善锚固性能。鉴于汶川震害及过去脆断事故的教训，冷加工钢筋不宜作预应力配筋，不宜考虑塑性内力重分布设计，因为预应力及塑性铰需要钢筋很大的变形性能延性。4.4 含钒钢筋的特点及优势综上所述，采用低合金化改善钢筋的综合性能最为有效。在热轧钢筋中掺入万分之几的钒 (V)、钛 (Ti)、铌 (Nb) 作为合金元素，就足以大幅度提高其强度并保持优良的延性及施工适应性（焊接、冷弯、机械连接等）

26、。这应成为我国混凝土结构用钢筋的主要发展方向。我国攀枝花及承德拥有丰富的钒土资源，发展含钒 (V) 热轧带肋钢筋 (HRB) 具有独特的优势，即使是靠控轧、控冷工艺的细晶粒钢筋(HRBF)，少量掺钒 (V) 也可明显地改善综合性能。而作为结构抗震的主要承载材料的抗震钢筋(HRB400E、HRB500E)，需要较高的强度及优良的延性（最大力下的总伸长率及强屈比），则最宜采用含钒 (V) 的热轧带肋钢筋。4.5 设计规范修订的措施新修订的混凝土结构设计规范GB50010-2010体现了对钢筋性能的要求和优化选择。首先，增加了强度为500MPa级的高强钢筋；淘汰低强的235MPa级光圆钢筋，代之以300MPa级钢筋：同时准备合并335MPa级钢筋为300MPa级的帯肋钢筋。形成强度等级为300、400、500MPa的系列热轧帯肋钢筋，与国