我国混凝土结构规范中钢筋的优化选择

我国混凝土结构规范中钢筋的优化选择第1页/共34页一、汶川震害中的钢筋的表现无约束脆性砌体结构房屋倒塌第2页/共34页一、汶川震害中的钢筋的表现配筋圈梁-构造柱围箍约束下的砌体裂而不倒第3页/共34页冷拨低碳钢丝圆孔板断裂-坠落一、汶川震害中的钢筋的表现第4页/共34页冷轧带肋钢筋圆孔板断裂-悬掛冷轧扭钢筋楼梯板断裂

一、汶川震害中的钢筋的表现第5页/共34页

经受了地震作用的热轧钢筋配筋楼梯板

一、汶川震害中的钢筋的表现塌垮结构中热轧钢筋“藕断丝连”的现象第6页/共34页一、汶川震害中的钢筋的表现抗倒塌的配筋梁-拉结模型第7页/共34页

抗倒塌的配筋悬索-拉结模型

一、汶川震害中的钢筋的表现抗倒塌的配筋悬臂-拉结模型第8页/共34页

密箍约束混凝土虽破碎仍能承载少箍约束混凝土柱的压溃一、汶川震害中的钢筋的表现第9页/共34页底柱压溃造成楼层下挫一、汶川震害中的钢筋的表现第10页/共34页一、汶川震害中的钢筋的表现底柱压溃引起多层框架倒塌第11页/共34页二、混凝土构件的破坏形态与结构安全混凝土构件破坏的标志和形态

1、弯曲挠度达到构件跨度的1/50延性2、受拉主筋处裂缝宽度达到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5、构件腹部受剪斜裂缝宽度达到1.50mm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、破碎非延性第12页/共34页二、混凝土构件的破坏形态与结构安全混凝土构件破坏的标志和形态8、冲切侧面斜裂、顶底面环状裂缝非延性9、沿叠合面、接槎面剪切裂缝非延性10、构件腹部受扭斜裂缝宽度1.50mm延性11、受压构件侧面混凝土裂缝、破碎非延性12、局压面破碎、局压区纵向劈裂非延性13、受拉主筋端部滑脱或其它锚固失效脆性14、受拉主筋在连接处传力性能失效脆性第13页/共34页脆性破坏：预兆不明显的突发性破环，危险，与钢筋断裂、锚固和连接失效有关；非延性破坏：有一发展过程，尚无严重后果，通常表现为混凝土的破坏(裂缝、破碎)；延性破坏：表现为过大挠度和裂缝，有很长的发展过程，不危险，与钢筋的变形有关。构件破坏形态与与结构材料性能，特别是钢筋延性有关；钢筋断裂引起的构件解体、结构倒塌，足以影响到结构整体稳固性（Rubustnees），应特别注意。二、混凝土构件的破坏形态与结构安全第14页/共34页钢筋达屈服强度fy，仍可继续受力，不致于断裂钢筋达极限（抗拉）强度ft

，断裂引起构件解体，则往往导致结构倒塌钢筋最大力下总伸长率(均匀伸长率)δgt，以及强屈比ft/fy

，是钢材的延性（变形能力）标志砌体和混凝土是脆性材料，靠钢筋的围箍-约束才能承载受力配箍对混凝土约束造成的被动侧压大幅度提高抗压强度同时改善延性多轴强度准则：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倍二、混凝土构件的破坏形态与结构安全第15页/共34页二、混凝土构件的破坏形态与结构安全混凝土的应力状态及其强度混凝土柱中配箍围箍-约束的机理第16页/共34页

二、混凝土构件的破坏形态与结构安全

约束配箍的各种形态

圆形螺旋箍方-矩形螺旋箍焊接封闭箍复合连续螺旋箍内圆外方箍多螺箍用混凝土力学指导开发约束混凝土的巨大潜力对钢筋性能提出了新的要求第17页/共34页三、混凝土结构对钢筋性能的要求强度：高强钢筋有利于提高承载力，但延性降低延性：变形性能对破坏形态及安全影响；脆性危险；延性安全锚固性能：与混凝土共同受力，决于钢筋外形预应力传递性能：自锚建立起预应力的能力，预应力筋传递长度可焊性：碳当量高时不易焊，冷处理钢筋焊后损失强度机械连接适应性：冷处理表层钢筋太硬，不易加工螺纹且强度损失热稳定性：冷加工、热处理钢筋受热后（焊接、火灾）强度会降低疲劳性能：反复荷载作用强度降低；与材质及外形有关耐久性：钢筋腐蚀影响使用年限，钢筋冷加工及预应力降低耐久性第18页/共34页冷弯性能：弯曲或反复弯曲后裂缝、折断，影响施工适应性质量稳定性：规模生产稳定；二次加工匀质性差；作坊式生产最差规格-标志：工程应用中规格短缺，牌号识别困难造成施工不便供货状态：直条筋加工余料，盘卷筋须调直，定长供货减小施工量施工操作：光面筋弯钩施工不便；现场挷扎困难，预制加工便捷成品刚度：细筋施工时易变形移位；焊接网片、预制骨架形状准确经济性：强度价格比（MPa.kg/元），高强钢筋具有价格优势三、混凝土结构对钢筋性能的要求第19页/共34页三、混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋的强度、伸长率和断裂耗能第20页/共34页（1）钢筋强度高承载力大，受制于裂缝-挠度有限制（2）预应力筋可通过预张拉，有条件地利用高强度。（3）断口伸长率为颈缩区残余伸长，不反映钢筋的延性（4）最大力下的总伸长率δgt（均匀伸长率）是延性的真正标志（5）钢筋断裂导致构件解体结构倒塌，延性的重要性不亚于强度（6）钢筋本构关系曲线下积分面积(断裂耗能)综合反映钢筋抗力（7）断裂耗能：热轧钢筋约7000Nm/Kg；预应力筋6000-7000Nm/Kg；冷加工钢筋约1000-1500Nm/Kg三、结构对钢筋性能要求：强度及伸长率的影响第21页/共34页三、混凝土结构对钢筋性能的要求强屈比（ft/fy）对破坏形态的影响钢筋的本构关系及强屈比热轧钢筋（软钢）强屈比高，破坏有明显的预兆，延性优良冷加工钢筋及预应力筋（硬钢）无屈服，取0.02残余变形为条件屈服强度强屈比接近1.0时，屈服后迅速发展而断裂，呈穾发脆性破坏，延性差第22页/共34页施工适应性的影响质量稳定性、冷弯性能、可焊性、机械连接性能、热稳定性（焊接、火灾）、耐久性、附加工序（弯钩、调直、对接）等混凝土结构对钢筋性能的要求：

强度、延性、施工适应性重视强度而忽略延性的观念必须纠正提高强度的同时必要保持延性延性指标：均匀伸长率及强屈比三、混凝土结构对钢筋性能的要求第23页/共34页四、钢筋的优化及应用1、提高钢筋强度的途径低合金化：加入锰、硅、钒、钛、铌，金相组织均匀，铁素体-珠光体细晶粒化：控轧、控冷使晶粒度不粗于9级提高强度，基本铁素体-珠光体，表层不连续局部回火马氏体淬水-余热处理：钢筋表层硬脆为高强回火马氏体，延性损失影响施工适应性冷加工：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷镦提高强度，但延性变差。控温热处理：对拔（轧）制钢丝进行热处理，获得高强且保留一定延性，制作预应力钢丝、钢绞线。第24页/共34页2.不同类型钢筋的材料性能-金相组织

四、钢筋的优化及应用普通热轧钢筋HRB

细晶粒热轧钢筋HRBF

余热处理钢筋RRB第25页/共34页3.钢筋外形优化钢筋外形参数：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

刻痕-三面

螺旋肋

螺旋槽

冷轧扭

三股钢绞线

七股钢绞线四、钢筋的优化及应用光圆等高肋月牙肋冷轧带肋-两面冷轧带肋-三面

刻痕-两面第26页/共34页光圆钢筋：基园面积大，锚固差须弯钩，将淘汰等高肋钢筋：基园面积小，外形不合理，己淘汰月牙肋钢筋：基园面积较大，锚固良好有方向性预应力钢绞线螺旋肋钢丝：基园面积大，锚固好预应力螺旋槽钢棒：咬合齿薄弱，锚固差冷轧带肋钢筋：基园面积不大，应向螺旋肋靠拢冷轧扭钢筋：外形待改进，应向螺旋肋外形靠拢刻痕钢丝：削弱截面，咬合齿浅锚固差，将淘汰外形优化方向：螺旋肋基园面积大、锚固优良，最具优势。四、钢筋的优化及应用第27页/共34页3、钢筋的优化及选择提高强度、延性、加工适应性，根据特点选择适当应用主力钢筋：HRB400、500普通热轧带肋钢筋,以及HRBF细粒钢筋抗震钢筋：带后缀“E”高延性钢筋，均匀伸长率9％；强屈比1.25次要钢筋：RRB400余热处理钢筋对延性要求不高的基础或大体积结构

预应力筋：高强螺旋肋钢丝及钢绞线，均匀伸长率3.5％改进钢筋：HRB335改HRB300，预应力钢棒提高延性，改进外形淘汰钢筋：刻痕钢丝、HPB235光面钢筋以HRB300取代补充钢筋：中强钢丝作中小预应力配筋及约束配箍冷加工钢筋：细直径辅助配筋，优化－稳定质量。减小面缩率并热处

理恢复延性，螺旋肋外形，不宜预应力及塑性设计四、钢筋的优化及应用第28页/共34页4、含钒钢筋的特点及优势

采用低合金化改善钢筋的综合性能最为有效

钢筋掺钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）作合金元素大幅度提高强度、延性、施工适应性（焊接、冷弯、机械连接等）合金化是我国混凝土结构用钢筋的主要发展方向攀钢-承钢具有发展含钒（V）热轧带肋钢筋（HRB）的独特优势细晶粒钢筋（HRBF）掺钒（V）也可改善综合性能抗震钢筋（HRB400E、HRB500E）最宜采用含钒（V）的热轧带肋钢筋四、钢筋的优化及应用第29页/共34页1、

增加500MPa高强钢筋；淘汰低强235MPa光圆钢筋2、暂代300MPa光圆钢筋：准备合并335MPa为300MPa帯肋钢筋，给出过渡期钢筋的使用办法3、编制《高强钢筋导则》提前应用500MPa钢筋4、目标为强度300、400、500MPa的系列热轧帯肋钢筋，与国际接轨5、增加高强、大直径钢绞线及预应力螺纹钢筋6、列入中强度预应力钢丝作中小构件的预应力配筋，填补强度空缺五、设计规范修订对钢筋的优化选择第30页/共34页7

、淘汰性能较差的刻痕钢丝8、提出延性要求：按均匀伸长率δgt分级9、提出抗震钢筋实测均匀伸长率及强屈比要求10、钢筋牌号用字母HRB、HRBF、RRB及后缀“E”表达11、强度等级以标准强度（MPa）的数值300、400、500

等表达12、采用表达