高强钢筋的应用与发展

高强钢筋的应用与发展

钢筋是土木工程中最重要的材料之一。随着经济持续高速增长,工程建设规模的不断扩大,钢筋消耗量大量增加,对我国经济可持续发展产生了重大影响。为在工程建设中降低钢筋用量,提高工程质量,减少能源资源消耗,推动高强钢筋应用是摆在工程建设界的重要课题之一。近几年,为推动高强钢筋的应用,国家采取了一系列积极措施,如建设部将高强钢筋应用列入“建设部节能省地型住宅和公共建筑推广应用技术”进行推广;进一步完善工程建设标准;积极开展高强钢筋应用试点,总结经验加以推广等等。高强钢筋的推广应用无疑将推进能源资源的节约与合理利用,有力促进工程建设的科学发展。1.钢筋级别及规格钢筋是指钢筋混凝土用钢材,包括光圆钢筋、带肋钢筋(螺纹钢筋)。按照生产工艺不同,钢筋分为微合金钢筋(HRB)、余热处理钢筋(RRB)和细晶粒钢筋(HRBF)。按照强度等级划分,钢筋分为Ⅰ级钢筋、Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢筋、Ⅳ级钢筋等,其中,Ⅰ级钢筋为圆钢,牌号为HPB235;Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢筋、Ⅳ级钢筋均为螺纹钢筋,Ⅱ级钢筋牌号有HRB335(E)、RRB335和HRBF335(E);Ⅲ级钢筋牌号有HRB400(E)、RRB400和HRBF400(E);Ⅳ级钢筋牌号有HRB500(E)、RRB500和HRBF500(E)。钢筋牌号后加“E”的为抗震专用钢筋。1.1en2-2002钢筋目前,国外采用高强钢筋较为普遍,如德国、英国等,主筋取消了335MPa级钢筋,只采用500MPa级钢筋一个品种,欧洲规范EN2-2002钢筋强度规定为400MPa-600MPa。俄罗斯、美国、日本、新西兰等,其建筑设计规范中虽保留了335MPa级钢筋,但都积极采用高强钢筋。俄罗斯规范中规定最高钢筋到600MPa,日本为490MPa,美国最高为550MPa,新西兰为500MPa,采用高强钢筋的规定较为明显。1.2试验应用情况400MPa级钢筋是国家在“六五”、“七五”期间重点研发并成功投入使用的新一代钢筋产品,1995年写入《混凝土结构设计规范》。多年来,为推广应用400MPa等高强钢筋,国家有关管理及研究部门做了大量工作,采取了修订规范、完善工程建设标准、开展试点工程等多种措施。目前400MPa级钢筋在建筑工程中已经有了一定的应用。据统计资料表明,2009年我国钢铁企业生产的热轧带肋钢筋共13074万吨,占国内钢材总产量的24%。其中,HRB335钢筋产量8600万吨,占钢筋总量的65.8%;HRB400钢筋产量4072万吨,占钢筋总量的31.1%;HRB500产量85万吨,占钢筋总量的0.6%。500Mpa钢筋已开始在建筑工程中试点应用,一些地方建设行政主管部门如河北、河南等给与高度重视,积极开展试点,取得了良好效果,为高强钢筋的应用积累了经验。目前我国建筑行业使用高强钢筋比率仍然偏低,与国外差距较大。特别在市政工程、铁路、高速公路、轨道交通等重点工程中,目前还鲜见应用HRB400(Ⅲ级)钢筋的案例。因此,在土建工程领域积极扩大使用高强度钢筋,已成为迫切的任务。1.3解决“两大困难”的需要经济效益。使用高强度钢筋代替低强度钢筋,可以在保证建筑结构安全度不变的前提下,减少钢筋用量。据研究测算,以HRB400钢筋替代HRB335钢筋的省钢率在12%~14%左右,以HRB500替代HRB400钢筋的省钢率在5%-7%左右。同时,还有利于优化钢铁产业结构,解决“低档过剩,高档不足”的矛盾,有利于国家将更多的财力、精力投入到国民经济的重要发展方向中。例如,河北某工程,基础受力筋和框架梁纵筋采用HRB500级钢筋,总用钢量为400吨,经过测算,HRB500级钢筋与HRB335级钢筋相比,钢筋总用量减少了21.2%,共节约钢筋约107.5吨;HRB500级钢筋与HRB400级钢筋相比,钢筋总用量减少了10.5%,共节约钢筋约46.7吨。同时,应用HRB500级钢筋在明显节约钢筋的基础上,还显著改善目前框架结构中梁、柱节点钢筋拥挤的现象,提高了工程质量。节能与环保效益。减少钢筋用量,可减少铁矿石、煤电等的消耗,缓解原材料生产、加工、交通运输、电力供应等行业的压力;同时,极大地减少了废水、粉尘、废气等污染物的排放。有数据表明,平均生产1吨钢至少要排放出2.4吨左右的二氧化碳,以及大量的二氧化硫、热量、废气、废渣、粉尘、污泥和其它污染物。2.研究和发现问题长期以来,国内推广应用400MPa(Ⅲ级)及以上高强度钢筋进展缓慢,影响高强度钢筋消费的重要原因有:2.1我国高强预应力混凝土结构钢筋的应用建筑设计规范有建设部发布的《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》,也有许多行业设计规范,如《地铁设计规范》、《铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规范》等等。一些规范新近列入高强钢筋品种,一些规范中仍没有400MPa及以上高强钢筋品种。如《铁路桥涵混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TBT2003.3-2005,J462-2005)、《地铁设计规范》(GB50157-2003)中没有400MPa钢筋品种;《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)中对螺纹钢筋的使用,只规定了HRB335和HRB400两种牌号;2009年新编制的《高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》也只规定了最高强度级别为HRB500。设计规范对使用400MPa(Ⅲ级)以上高强度钢筋的应用没有具体要求,使设计部门无依据可查。我国在1998年就将HRB500钢筋正式纳入GB1499-1998标准。近年来,国内已有部分钢铁企业(如承钢、首钢等)对500MPa级热轧钢筋进行了试生产,并在少量工程中得到应用。但由于《混凝土结构设计规范》尚未列入,所以在工程中很少应用。2.2裂缝控制问题依《混凝土结构设计规范》裂缝宽度的计算公式:由上式可以看出,HRB400级钢筋在弹性模量Es、粘结特性、配筋率ρte等关键参数方面与HRB335级钢筋并无差异,在裂缝控制方面没有优势。控制构件裂缝宽度所需要的钢筋面积仅与类别(光面或螺纹钢筋)有关,与钢筋的设计强度无关。采用HRB400级及以上强度较高的钢筋不能达到减少钢筋用量或减薄断面厚度的目的。目前国内铁路、公路、市政、水利、民用建筑等建筑工程项目,主要采用裂缝宽度要求控制配筋。因此,在这些工程的结构设计时,基本上采用了HRB235圆钢和HRB335螺纹钢筋,很少使用高强钢筋。2.3建筑节约效果采用400MPa级钢筋全面代替335MPa级钢筋,对于高层建筑具有较好的节约效果,而对于中低层建筑节约效果并不明显。由于构造配筋、最小配筋率、刚度裂缝控制、锚固长度规定等技术要求,使得高强钢筋在建筑结构某些部位的应用并未体现出高强度的优势,反而因使用高强钢筋而增加成本。2.4微合金400mpa螺纹钢筋从螺纹钢生产工艺生产的产品质量来看,微合金400MPa螺纹钢筋综合性能最好,建筑施工单位对推广使用微合金400MPa螺纹钢筋均持一致赞同意见。特别是在8度及以上地震设防区要求使用微合金化钢筋。各钢铁企业生产400MPa(Ⅲ级)螺纹钢并未标明生产工艺,各类400MPa(Ⅲ级)螺纹钢筋生产成本不同,综合性能不同,但销售价格相同,给施工单位选用Ⅲ级螺纹钢筋造成了一定困难。2.5特殊钢筋应用设计是工程应用的龙头。一方面是设计规范对HRB400级钢筋的使用无明确的规定要求,如《地铁设计规范》中没有要求使用高强钢筋;另一方面近若干年来设计院迫于建设规模的不断扩大,任务多、工作重,设计人员已经习惯于采用335MPa钢筋,并未投入精力分析和认真研究使用HRB400级及以上高强钢筋在应用方面的技术问题。如北京城建设计院对推广使用高强度钢筋很重视,该院设计的民用建筑项目中,采用400MPa钢筋占钢筋总用量的90%以上,而其它水平一般的建筑设计院或地方设计院,在设计中较少使用高强钢筋。2.6螺纹钢的市场一些地区,特别是地区级以下的中小城市及广大农村,钢材市场上400Mpa(Ⅲ级)螺纹钢不仅总量少,规格也不齐全,供需常出现脱节,订购相对较难,满足不了建筑工地配送使用要求,制约了工程应用。2.7提高国内高炉钢筋的消费比例,提高国内高强度钢筋的消费比例,应注意以下一步虽然国家有关方面积极呼吁提高高强度钢筋的消费比例,对提高国内高强度钢筋的消费比例有一定推动作用,但缺乏具体的有效措施,效果一般。2.8级螺纹钢可增加内压药,提高经济效益目前335MPa(Ⅱ级)和400MPa(Ⅲ级)、500MPa(Ⅳ级)螺纹钢利润相差不多,钢铁企业推荐施工单位使用Ⅱ级螺纹钢,可增加销售量,提高经济效益。特别是一些大型钢厂退出钢筋生产领域,小型钢铁企业对组织研发、推广高强度钢筋不够重视。2.9加工、焊接受高强钢筋产品特点的影响,在建筑工程施工现场对高强钢筋的加工、焊接等技术还存在一定的难度,工人操作有困难,特别是细晶钢筋焊接区域强度降低较多。需要钢材生产企业和建筑施工企业共同加快技术研发,在施工技术和管理水平上逐渐改进和适应。2.10销售费用和利润据调查,住宅房屋建设成本中,一般土地征用及拆迁补偿费占50%,土建成本占35%,销售费用占5%-10%,利润为5%-10%。在土建成本中,钢筋使用成本只占10%-15%,即占总成本的4%左右。如住宅房屋建设成本为1亿元,钢筋使用成本仅为400万元,按使用高强度钢筋节约钢筋使用成本15%计,只节约60万元,经济效益不十分明显。2.11中国的建筑设计使用寿命比国外发达国家的活得更短，而且影响了高强度钢筋的使用国内一般建筑设计寿命70年,国外为100年。混凝土结构耐久性要求降低,对钢筋的使用强度及单位消耗要求也降低。3.推广和使用的条件非常优越3.1高强预应力消费使用400MPa(Ⅲ级)以上钢筋不仅可节约大量钢材,而且可以促进钢铁工业的结构调整,提高建筑物的质量安全。对建设资源节约型、环保友好型社会具有重要意义。为此,国务院领导同志先后做出重要批示,要求大力推广应有400MPa(Ⅲ级)以上螺纹钢;工信部为提高高强度钢筋消费进行专项研究;2008年国家《钢铁产业调整和振兴规划》提出,2012年我国400MPa及以上热轧带肋钢筋使用比例达到60%以上。国家有关方面的重视,将有力推动国内高强度钢筋消费水平的升级。另外,2009年建设部新编制的《高强钢筋在混凝土结构中应用技术导则》规定了钢筋最高强度达到500MPa(Ⅳ级),并建议推荐使用400MPa钢筋,在一定程度上也将对使用高强度钢筋起到积极推动作用。3.2生产高强螺纹钢筋的设备目前棒材轧机中,连续及半连续轧机占总生产能力的80%以上,这些轧机具备生产低合金及调质处理高强螺纹钢筋的条件,部分轧机具备生产细晶高强度螺纹钢筋的条件。即使装备水平落后的横列式棒材轧机,一般也具备生产热轧低合金高强钢筋的能力。3.3严格控制用户使用成本高强度钢筋与普通钢筋的差价是影响高强钢筋推广的主要因素之一。将成本控制在比335MPa钢筋高100元/吨左右,用户使用成本减少200元左右,才能形成良好的发展格局。目前合理的价差格局已基本形成。高强钢筋成本高、售价高则难以推广。3.43.5高强钢筋消费钢筋出口,促使国内钢铁企业与国际接轨;建筑业参与使用高强度钢筋为主的国外工程项目,也将推动国内建筑设计及施工水平与国际接轨,从而促进国内高强钢筋消费的增长。3.6提高国民服务水平，促进高强度钢筋消费工业化、城镇化中,不但要求建筑结构设计合理、外形美观,也要求抗震等级高、结实耐用,建筑水平的提高,需要大量消费高强钢筋。4.混凝土结构钢筋发展目标坚持技术进步、市场配置、政府引导和扶持相结合,淘汰落后钢筋生产能力,促进螺纹钢筋生产消费的结构升级。高强钢筋的应用也要考虑我国的地质条件、工程施工特点、施工规范现状等,并适合我国经济发展不平衡的国情。目前拟定的《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》两项标准的修订目标,即取消235MPa级钢筋、逐步减少或限制使用335MPa级钢筋、优先使用400MPa级钢筋、积极推广500MPa及600Mpa(V级)钢筋,是基本符合当前实际的。发展目标:2012年400MPa(Ⅲ级)及以上钢筋消费量达到40%以上;2015年400MPa(Ⅲ级)及以上钢筋消费达到50%左右,使高强度钢筋的生产消费达到适合国情的合理水平;2020年全部淘汰335MPa(Ⅱ级)钢筋,全部使用400MPa(Ⅲ级)及以上钢筋,达到国外先进水平。5.高强钢筋消费的总体情况我国用了近20多年的时间,400MPa钢筋用量仅达到30%,500MPa钢筋消费基本处于空白。必须采取有效措施,切实解决高强钢筋从生产到应用各个环节中的问题。为提高高强钢筋消费水平,提出以下对策建议:5.1加强政府推动力度国家成立部际司局级联合协调机构。该机构由国家发改委、工信部、科技部、城乡建设部、国家质监总局、钢铁协会等相关部门及单位组成,主要任务协调推广工作中出现的问题,并研究相关政策措施,落实各项工作。使政策、标准、研发等在政府的推动下多管齐下。通过研究确定推广高强钢筋的目标和时间表;制定税收优惠、资质审核、工程评奖等相关鼓励政策和限制措施,调动各方积极性;统筹科研、生产、应用环节,加强生产企业和用户方的协调,建立相应的推广机制;研究制定高强钢筋应用的指导意见。加强生产许可证管理。着手对生产335MPa(Ⅱ级)钢筋企业进行清理,严格控制Ⅱ级钢筋生产许可证的发放。进一步加强高强钢筋推广应用的宣传,改变人们的传统观念,消除疑虑。5.2加强高强钢筋的研究积极争取国家有关部门的支持,对有关建筑规范修订中需要开展的高强钢筋应用关键技术攻关和工程试设计,给予经费保障,取得修订完善建筑标准需要的试验论证报告和有关数据。实施研究600MPa高强钢筋生产工艺及应用标准规范。进一步扩大高强钢筋的应用面。加大对高强钢筋性能的研究改进,解决钢筋的延性、焊接性等问题,方便工程应用。继续研究低成本400MPa(Ⅲ级)及以上钢筋的生产技术,尤其是要加强对非合金化高强度钢筋的研究和成果转化工作。进一步改善钢筋性能,降低生产成本。5.3提高混凝土结构的质量控制标准规范、标准是设计人员开展设计工作的重要法规之一,建议尽快组织修订设计规范,把400MPa、500MPa以及更高强度级别的钢筋列入所有建筑与施工设计规范,并提出优先使用400MPa中强钢筋、推荐使用500MPa高强钢筋的指导意见。各种混凝土设计及施工规范应根据钢筋用途细化使用钢筋的种类(热轧、余热处理、细晶),做到钢筋品种的科学选择应用。促进节约资源、低成本的余热处理钢筋、超细晶控轧空冷钢筋、碳强化高强度钢筋的推广应用科学修订《混凝土结构设计规范》中裂缝计算公式,制定合适的裂缝控制标准。据调查,我国规范对裂缝控制与国外国家混凝土规范比较,我国的规范相对严格。国家规范推荐的裂缝宽度计算公式计算的理论值,与实验室实际测得的裂缝宽度有较大差异,实际裂缝宽度仅相当于理论计算值的50%~85%,但采用中低强度钢筋时掩盖了矛盾焦点。采用高强钢筋以后,由于设计规范对挠度裂缝宽度的夸大,高强钢筋相当一部分用量只能作为安全储备,不能充分发挥作用,成为合理设计的障碍,制约了高强钢筋的应用,有必要对混凝土结构裂缝宽度控制及相关问题进行专题研究,科学修正。对混凝土结构最小配筋率控制及相关问题也需要进行专题研究,依据采用钢筋强度的变化,科学调整最小配筋率控制标准。提高建筑设计的安全系数及使用寿命。国外建筑物要求安全系数高,寿命长,单位面积钢筋用量大,不存在我国房屋建筑设计中出现的裂缝控制问题。如日本普通居民公寓楼单位面积用钢筋90kg左右,而我国为60kg左右;德国住宅房屋设计使用寿命为100年,而我国基本为70年。设计规范修订后,各种设计软件也应作出相应的调整。如果挠度裂缝的调整融合不到设计软件中,需要设计人员手工复核,会极大的增加设计人员的工作量,从而影响设计人员推广的积极性。5.4加大钢筋力度,提高钢筋混凝土修订GBl499螺纹钢筋标准,优化强度等级。借鉴国际标准强度等级分类,将现GBl499标准中的335MPa逐步取消,将钢筋的强度等级设置为300MPa、400MPa、500MPa,把400MPa钢筋设为主力钢筋,加大钢筋级别差,有利于高强钢筋的推广应用。5.5提高设计人员钢筋积极性推广高强钢筋,设计要先行。设计院及地方建设单位应对设计人员及建设单位及时宣传指导,提高设计人员对采用高强度钢筋的积极性,提高建设单位采用高强度钢筋的主动性。5.6规范钢材市场加强产品质量检测,严格规定对HRB、HRBF、RRB等不同性能钢筋的认证、标识,保证产品质量,避免施工使用中的