（材料学专业论文）钢筋混凝土结构用新型冷加工钢筋的性能研究.pdf

日许土学 摘要 近年来，随着冷加工拄术的发展，不同种类、不同外形的新型冷加工钢筋相继问世 为深化玲加工钢筋技术的基础研究进一步提升钢筋的性能，本文对新型拎加工钢筋的微观 组织、宏观性能( 力学性能、粘结锚固性能) 及其相互关系进行了研究。 钢筋表面的几何形状的差异对钢筋的性能，特别是粘结锚固性能有相当大的影响。车 文首先对3 0 个冷轧带肋钢筋、1 0 2 个冷轧扭钢筋共1 3 2 个试样的表面特征值进行了全面、 系统的量测与分析为钢筋外形的进一步优化提供了基础。 本文通过对光圆、冷轧带肋、拎轧扭钢筋共1 1 个试样麸5 9 张金相图的研究，分析了 冷加工后钢筋显微组织的变化情况及其对铜筋力学性能( 强度、延性) 韵影响。揭示了i 型 冷轧扭钢筋中间部位品粒变形明显太于边缘部分的现象分析了i 型冷轧扭钢筋在强度提高 的同时仍保持较好延性的原因。 通过对光圆、挣轧带肋，i 型冷轧扭，i 型拎轧扭钢筋共1 0 1 个试件的抗拉强度、延 伸率测试，分析了玲加工程度对钢筋力学性能的影响，提出了毋佳轧扁度参数，为钢筋的轧 制参数优化提供了依据。通过试验统计回归得出了钢筋斯后延伸率6s 与6m 之间的折算关 系式为冷加工钢筋伸长率换算标准的制定提供了参考 通过光圆、冷轧带肋、i 型冷轧扭、m 型冷轧扭钢筋共1 0 6 个试件拉拔试验，分析了各 种钢筋的粘结锚固特性论述了冷轧扭钢筋的”p - $ ”曲线上出现第二峰的原因及其对于锚 周延性的作用探讨了冷轧扭钢筋的粘结锚固机理。经过统计回归分别推导了i 型、i i i 型冷 轧扭钢筋的有关特征粘结强度的计算公式，得到了拉拔状态下的临界锚固长度 最后对较大锈蚀( 6 ) 情况下，光圆，冷轧带肋、冷轧扭钢筋的粘结性能进行了对比 研究探讨丁在较大锈蚀下冷轧扭钢蕺具有较好的粘结性能的原园， 本文的试验研究的成果为m 型冷轧扭钢筋技术规程的制定作了前期准备。 关键词：冷加工钢筋螺旋状显礅组织力学性能桔结锚固性能 第1 页麸8 4 页 同济大学 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o l d - w o r k i n gt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y ，t h en e w c o l d w o r k i n gs t e e l b a r sw i t hd i f f e r e n ts h a p e sa n dp r o p e r t i e sw e r es u p p l i e dr e c e n t l y t h i sp a p e rs t u d i e dt h e m i c r o c o s m i cs t r u c t u r e ，m a c r o s c o p i cp r o p e r t i e s ( m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n db o n da n c h o r a g e p r o p e r t i e s ) o fn e wc o l dw o r k i n gs t e e lb a r sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c ho t h e r ，i no r d e rt o p r o m o t ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n di m p r o v ep r o p e r t i e so f c o l dw o r k i n gs t e e lb a r s t h ed i f f e r e n c ei ns h a p eo fs t e e lb a r sa f f e c t sb o n da n c h o r a g ep r o p e r t i e so fb a r si nc o n c r e t e s t r u c t u r e t h es u r f a c ec o n f o r m a t i o no f13 2 s a m p l e s ( 3 0c o l dr i b b e db a r s ，10 2c o l dr o l l e da n d t w i s t e db a r s ) w e r em e a s u r e do v e r a l la n ds y s t e m a t i c a l l ya tt i n t , t h er e s u l tp r o v i d e st h er e f e r e n c e f o ri m p r o v e m e n to ft h es h a p e so fn e ww o r k i n gb a r s 5 9m e t a l l o g r a p ho f11s a m p l e s ( r o u n db a r s 、c o l dr i b b e db a r s 、c o l dr o l l e da n dt w i s t e db a r s ) w e r eo b s e r v e d t h ec h a n g e so fm i c r o c o s m i cs t r u c t u r eo fs t e e lb a r sa n dt h e i ri n f l u e n c e so f ft h e m e c h a n i c a lp r o p e r t y ( s t r e n g t ha n dd u c t i l i t y ) o fs t e e lb a r sa f t e rc o l dw o r k i n gw e r ea n a l y z e d t h ep h e n o m e n o nt h a ta tt h ec e n t e ro fc o l dr o l l e da n dt w i s t e db a r so ft y p ei i it h ec r y s t a ld i s t o r t e d m o r eo b v i o u s l yt h a na tf r i n g ew e r er e v e a l e d ，a n dt h er e a s o nw h yb a r so ft h i st y p es t i l lh a v eg o o d d u c t i l i t yw h i l et h e i rs t r e n g t ha r ei m p r o v e dw e r ea n a l y z e d t h r o u g hm e a s u r e m e n to fs t r e n g t ha n de l o n g a t i o nv a l u e so fr o u n db a r s 、c o l dr i b b e db a r s 、c o l d r o l l e da n dt w i s t e db a r s ( t o g e t h e r1 0 1s a m p l e s ) ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed e g r e eo fc o l dw o r k i n go nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs t e e lb a r sw e r ea n a l y z e d t h eo p t i m u mr o l l i n gp a r a m e t e r sw e r ep r o v i d e d b yw a yo fe x p e r i m e n t a ls t a t i s t i c a lr e g r e s s i o n , t h ec o n v e r s i o no fe l o n g a t i o nv a l u e s ( 65a n d61 0 ) w a so b t a i n e d b ym e a n so fp u l l o u tt e s tw i t h1 0 6s a m p l e s ( r o u n db a r s 、c o l dr i b b e db a r s 、c o l dr o l l e da n d t w i s t e db a r st y p eia n dt y p ei i i ) ，t h ec h a r a c t e r so fb o n da n c h o r a g eo ft h e mw e r ea n a l y z e d ，t h e s e c o n dp e a kw h i c hi sm u c hh i g h e rt h a nt h ef i r s tp e a ka p p e a r e do nt h e “l o a d s l i p c u r v eo ft h e c o n c r e t es t r u c t u r ew i t hc o l d - r o l l e da n dt w i s t e db a r sw e r ee x p o u n d e d b yw a yo fe x p e r i m e n t a l s t a t i s t i c a lr e g r e s s i o nt h ef o r m u l ao fm e n t i o n e dc h a r a c t e r i s t i cb o n d a n c h o r i n gs t r e n g t ho fc o l d r o l l e da n dt w i s t e db a r st y p eia n dt y p e1 1 1w a si n f e r r e da n dt h ec r i t i c a la n c h o r a g el e n g t ho ft h e m w a so b t a i n e da sw e l l a tl a s t , t h ea n c h o r a g ep r o p e r t yo fr o u n db a r s 、c o l dr i b b e db a r s 、c o l dr o l l e da n dt w i s t e db a r s 第2 页共8 4 页 同许点学硕士论文 a 艇rh e a v ye r o d i n g ( 6 ) w e r ec o n t r a s t i v e l ys t u d i e d 。a n dt h er e a s o nw h yc o l dr o l l e da n dt w i s t e d b a r sh a v eb e t t e r b o n da n c h o r a g ed u c t i l i t ya f t e rh e a v y e r o d i n gw a se x p l o r e d t h er e s u l to ft h i sp a p e rp r e p a r e st oc o m p l e t et h ec o d ef o rc o l dr o l l e da n dt w i s t e db a r so ft y p e i l i f o r u s k e y w o r d s ：c o l d - w o r k i n g s c r e w e dm i c r o c o s m i cs t r u c t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t y b o n d a n c h o r a g e 第3 页共8 4 页 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰 写成硕士学位论文：“翅筮鎏趟缱捡厦新型淦翅王塑筮的筐鳇硒塞”。除论文中 已经注明引用的内容外，对本论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式表明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：张怀总 2 0 0 4 年2 月2 0 日 同济大学 硕士9 a - 文 第一章文献综述 人类自1 7 世纪7 0 年代使用生铁，1 9 世纪初开始使用熟铁，1 9 世纪中叶随着冶炼技术 的发展开始轧制强度较高的钢材，钢筋混凝土结构已成为用途最广的结构形式之一。我国新 推出的混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 1 ) 1 ：1 1 规定钢筋混凝土结构( 包括预应力钢 筋混凝土结构) 中用的钢筋主要有以下几种： 1 热轧钢筋：低碳钢、普通低合金钢在高温下轧制而成。包括光圆钢筋和带肋钢筋。等 级分为h r b2 3 5 ( i 级) ，h r b 3 3 5 ( i i 级) h r b 4 0 0 ( h i 级) 。 2 余热热处理钢筋：热轧后立即穿水，进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身回火 处理所得的钢筋。钢筋混凝土结构中常用r r b 4 0 0 。 3 热处理钢筋：将热轧钢筋在通过加热、淬火及回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后 钢筋强度得到较大提高，而塑性降低不多。常用有三种，分别是4 0 s i 2 m n 、4 8s i 2 m n 、4 5s i 2 c r 。 4 冷轧带肋钢筋：采用强度较低、塑性较好的普通低碳钢或低合金热轧圆盘条作为母材， 经冷拉减径后其表面形成二面或三面有月牙肋的钢筋。根据其力学性能分为l l 5 5 0 、l l 6 5 0 、 l l 8 0 0 三种。 5 冷轧扭钢筋：采用普通低碳钢q 2 3 5 或q 2 1 5 热轧圆盘条，按规定的工艺参数，经一 次加工轧扁、扭转呈连续螺旋状的冷加工钢筋。 上述冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋因已有了专门规程，故未在文献 1 正文的有关章节 中列出，特在其条文说明中指出，可按专门规程的规定进行使用。 对热轧钢筋进行冷加工以提高钢筋的强度、节约钢材，是国内外建筑行业普遍采用的方 法。在实际工程应用中，为了节约钢材，钢筋冷加工变形技术得到了大力发展。冷拔低碳钢 丝一度迅猛发展，广泛用于预应力板类构件，但其光圆的外形存在粘结力过低的问题。自改 革开放以来，我国的冷轧、冷扭技术得到了较快发展，形成了三类较为典型的冷加工钢筋： 冷轧带肋、冷轧扭和冷轧螺旋肋钢筋( 图1 - - 1 ) 。 图1 - 1 钢筋外形图 第6 页荚8 4 页 冷轧带j 冷轧蠕】 同许文学硕士论文 其中冷轧带肋、冷轧扭钢筋已在工程中大量应用，冷轧螺旋肋钢筋还处在刚起步阶段。 1 1 冷加工钢筋母材 用于建筑结构的钢筋，般可分为两类：在钢筋应力应变曲线图上有明显流幅的钢筋 和没有明显流幅的钢筋，习惯上分别称为软钢和硬钢。热轧钢筋属于软钢范畴，而冷加工钢 筋、钢丝等均属于硬钢。钢筋典型应力一应变曲线见图1 2 。根据钢筋混凝土用热轧光圆 钢筋( g b1 3 0 1 3 - - 9 1 ) 和钢筋混凝土用热轧光圆带肋钢筋( g b l 4 9 9 - - 9 1 ) 的规定，按 机械性能划分，热轧钢筋分为i 、四个级别。i 级钢采用q 2 3 5 来轧制，其余均 为普通低合金钢轧制而成的热轧带肋钢筋。1 图1 2 钢筋典型的应力一应变曲线 冷加工钢筋是将强度较低、塑性较好的热轧i 级钢筋作为母材经过冷加工，以达到提高 钢筋强度的目的。低碳钢热轧圆盘条( g b 肿卜一1 9 9 7 ) 中规定的热轧i 级钢筋主要化学 成分及力学性能见表1 1 。 表1 一l 热轧i 级钢筋主要化学成分及力学性能 牌号化学成分( )力学性能 屈服点抗拉强度伸长率 cm n s j s p ( m p a ) ( m p a ) ( ) q 2 1 5 a 0 0 9 - - 0 1 50 2 5 0 5 5 0 0 5 0 0 0 4 5 q 2 1 5 b 0 3 00 0 4 52 l s3 7 52 7 q 2 1 5 c o 1 0 o 1 5 o 3 0 0 5 40 0 4 00 0 4 0 q 2 3 5 a o 1 0 - 0 2 2o 3 0 0 6 50 0 5 0 0 0 4 5 q 2 3 5 b 0 1 2 加2 0o 3 0 o 7 0o 6 0o 0 4 52 3 54 1 02 3 q 2 3 5 c 0 。1 3 d 。4 3o 3 0 o 。6 00 。0 4 00 。0 4 0 被用作冷加工钢筋母材的低碳圆盘条其标准修订情况如下们： 我国5 0 年代受前苏联影响。钢材产品是按照r o c t 标准生产。1 9 6 5 年，我国最早的低 碳钢圆盘条国家标准是普通低碳钢热轧圆盘条( g b 7 0 1 - - 6 5 ) ，其中钢的牌号引用普通 第7 页共8 4 页 同许太学 硕士论文 碳素结构钢技术条件( g b7 0 沪_ 6 5 ) 中规定的1 - 3 号乙类钢。 1 9 8 6 年，又制定了推荐标准普通低碳钢热轧圆盘条( y b ( t ) 1 8 8 6 ) ，钢牌号引 用普通碳素结构技术条件( g b7 0 0 - - 7 9 ) 中的特类钢和甲乙类钢。 1 9 8 7 年以后，由于我国引进和自制的高速线材轧机陆续投产，制定了普通低碳钢无 扭控冷热轧盘条( z b h4 4 0 0 3 - - 8 8 ) ，该标准采用了普通低碳钢热轧圆盘条( y b ( t ) l s 一8 6 ) 的主要技术内容，并在盘条尺寸精度、盘重等方面有显著提高，从而使低碳钢盘条 的质量上了一个新的台阶。 1 9 9 1 年，由于碳素结构钢( g b7 0 0 - - 8 8 ) 对碳素钢标准进行改革，尤其牌号有较大 的变化，相应的盘条标准也进行了修订。修订后的标准为低碳钢热轧圆盘条( g b7 0 1 9 1 ) 和低碳钢无扭控冷热轧盘条( y b4 0 2 7 - - 9 1 ) 。 1 9 9 7 年，冶金部门根据线材生产的发展趋势并及时采取与国际、国外先进标准接轨的 措施，修订颁发了低碳钢热轧圆盘条( g b t 0 1 - - 1 9 9 7 ) 国家标准，将低碳钢热轧圆盘 条( g b7 0 1 - - 9 1 ) 和低碳钢无扭控冷热轧盘条( y b4 0 2 7 - - 9 1 ) 主要技术内容进行合并。 1 2 冷加工钢筋发展概况 1 2 1 冷轧扭钢筋 早在一九三五年，奥地利和欧洲其它一些国家就使用了扭( t o r ) 钢筋( 图卜3 a ) ，它是 将一根表面带有两条纵向对称肋条的热轧圆钢筋用机械方法进行冷扭转后成为螺旋形，从而 增强其与混凝土的结合性能即握裹力；此后，德国也有了这方面的新品种，它是用四根热轧 圆钢筋冷扭转后绞合在起，目的也是改善与混凝土的结合性能；法国的“d r i l l w u l s t ”是 用四根圆钢筋热轧在一起而后冷扭而成：法国的“c a r o n 钢筋是用四角为弧形的近似正方 形截面钢材为原料经冷扭转而成( 图1 - 3 b ) ；丹麦及西欧使用的“t e n c o r ”钢筋就是一根带 有两条纵向肋条的热轧规律变形钢筋在冷加工时一面扭转一面拉伸而成：荷兰的“t o r m a ” 钢筋是先将圆钢筋冷压刻痕然后冷扭转和拉伸使其形成一条螺旋槽的冷加工钢筋嘲；英国于 十九世纪末开始应用冷加工钢筋( 丝) ( c o l dw o r k e ds t e e lo rc o l dr e d u c e ds t e e lw i r e ) ， 它采用矩形或带有横向肋条的矩形截面热轧钢筋经冷拉和冷扭转而成，并于1 9 7 8 年编制了 s p e c i f i c a t i o nf o rc o l dw o r k e ds t e e lf o r t h e r e i n f o r c e m e n to fc o n c r e t e ( b s 4 4 6 1 ：1 9 7 8 ) ，1 9 8 5 年又颁布了英国标准技术规程 b r i t i s hs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o nf o r c o l dr e d u c e ds t e e lf o rr e i n f o r c e m e n to fc o n c r e t e ( i 3 s 4 4 8 2 ：1 9 8 5 ) ，其条件屈服强度在 5 1 0 m p a 以上，设计抗拉强度f 。= 4 6 0 m p a ，延伸率6s 可达1 2 以上，而且可以根据用户要 第8 页共8 4 页 同济大学 硕士论文 求选用截面形式，并可用于预应力结构如；前苏联四十年代开始应用的“bh 且b i kpyq e honapma typh ”钢筋具有矩形、椭圆形和正方形等截面形式( 图1 - 3 c ) ，1 9 5 4 年颁布 了全国混凝土结构技术规程7 1 “x o j l o 皿h o c l l 如q 砸h h a aa p m a t y p af i e p h o z 【q e c k 0 f o r l p o c h i g 皿j 1 只a k e j i e 3 0 b e t o h a ( f o c y j i a p t b e h h o eh 3 皿a t 芭j i b c t b o j i h t e p a t y p h ir i oc t p o h t e r i b c t b y ha p x l 4 t e k t y pe 1 9 5 4 ) 。 a b 图1 3 国外冷轧扭钢筋外形 由于它们对原材料的截面形状有特定的要求，增加了热轧原材料的制造难度，因而受 到了限制，而且成品断头浪费严重，没能继续发展下去。但是对我国冷轧扭的研制和开发 起到了一定的启发作用。 我国在7 0 年代末由北京市建筑工程设计院与北京建筑工程学院研究成功种新型的 高强度冷轧扭钢筋，它以普通热轧线材为原材料，集冷轧、冷扭、冷拉三种钢筋冷加工工艺 为一体，将它们结合起来应用，一次成材。经过加工后的钢筋，无需施加预应力，也不需弯 钩，但可提高构件的强度和刚