Transcript 我国混凝土结构规范中钢筋的优化选择
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我国混凝土结构规范中
钢筋的优化选择
——从汶川震害中钢筋的表现谈起
中国建筑科学研究院 徐有邻
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目 录
一、汶川震害中的钢筋的表现
二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
三、混凝土结构对钢筋性能的要求
四、钢筋的优化及应用
五、设计规范修订对钢筋的优化选择
六、结束语
Slide 3
Slide 4
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
Slide 5
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
Slide 6
一、汶川震害中的钢筋的表现
冷拨低碳钢丝圆孔板断裂-坠落
Slide 7
一、汶川震害中的钢筋的表现
冷轧带肋钢筋圆孔板断裂-悬掛
冷轧扭钢筋楼梯板断裂
Slide 8
一、汶川震害中的钢筋的表现
经受了地震作用的热轧
钢筋配筋楼梯板
塌垮结构中热轧钢筋
“藕断丝连”的现象
Slide 9
一、汶川震害中的钢筋的表现
抗倒塌的配筋梁-拉结模型
Slide 10
一、汶川震害中的钢筋的表现
抗倒塌的配筋悬索-拉结模型
抗倒塌的配筋悬臂-拉结模型
Slide 11
一、汶川震害中的钢筋的表现
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
Slide 12
一、汶川震害中的钢筋的表现
底柱压溃造成楼层下挫
Slide 13
一、汶川震害中的钢筋的表现
底柱压溃引起多层框架倒塌
Slide 14
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1.50 mm
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1.50 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
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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1.50 mm
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
Slide 16
二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
• 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。
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二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
• 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
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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
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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
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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
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三、混凝土结构对钢筋性能的要求
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
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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
Slide 23
三、结构对钢筋性能要求:强度及伸长率的影响
(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7000 Nm/Kg;预应力筋6000
-7000 Nm/Kg;冷加工钢筋约1000-1500 Nm/Kg
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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
Slide 25
三、混凝土结构对钢筋性能的要求
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
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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。
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四、钢筋的优化及应用
2.不同类型钢筋的材料性能-金相组织
普通热轧钢筋HRB 细晶粒热轧钢筋HRBF 余热处理钢筋RRB
Slide 28
四、钢筋的优化及应用
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
光圆
刻痕-三面
等高肋
螺旋肋
月牙肋
冷轧带肋-两面
螺旋槽
冷轧扭
冷轧带肋-三面 刻痕-两面
三股钢绞线
七股钢绞线
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四、钢筋的优化及应用
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。
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四、钢筋的优化及应用
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
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四、钢筋的优化及应用
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
Slide 32
五、设计规范修订对钢筋的优化选择
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
Slide 33
五、设计规范修订对钢筋的优化选择
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
表达牌号直径
Slide 34
六、结 束 语
消耗资源能源为代价的数量型增长难以持久
挥霍祖先的遗产;透支子孙的资源不可取
钢铁、建筑行业对节能、降耗、减排、环保负有重要责任
唯一出路是经济增长模式改变:变数量型增长为质量型增长
钢铁行业应生产高强-高性能钢材
建筑业应优化-选择节能型建筑材料
混凝土结构用钢筋发展尚须两个行业的共同努力
希望引起争鸣讨论,不确之处敬请批评指正
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我国混凝土结构规范中
钢筋的优化选择
——从汶川震害中钢筋的表现谈起
中国建筑科学研究院 徐有邻
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目 录
一、汶川震害中的钢筋的表现
二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
三、混凝土结构对钢筋性能的要求
四、钢筋的优化及应用
五、设计规范修订对钢筋的优化选择
六、结束语
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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
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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
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一、汶川震害中的钢筋的表现
冷拨低碳钢丝圆孔板断裂-坠落
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一、汶川震害中的钢筋的表现
冷轧带肋钢筋圆孔板断裂-悬掛
冷轧扭钢筋楼梯板断裂
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一、汶川震害中的钢筋的表现
经受了地震作用的热轧
钢筋配筋楼梯板
塌垮结构中热轧钢筋
“藕断丝连”的现象
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一、汶川震害中的钢筋的表现
抗倒塌的配筋梁-拉结模型
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一、汶川震害中的钢筋的表现
抗倒塌的配筋悬索-拉结模型
抗倒塌的配筋悬臂-拉结模型
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一、汶川震害中的钢筋的表现
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
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一、汶川震害中的钢筋的表现
底柱压溃造成楼层下挫
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一、汶川震害中的钢筋的表现
底柱压溃引起多层框架倒塌
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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1.50 mm
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1.50 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
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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1.50 mm
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
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二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
• 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。
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二、混凝土构件的破坏形态与结构安全
• 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
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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
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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
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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
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三、混凝土结构对钢筋性能的要求
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
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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
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三、结构对钢筋性能要求:强度及伸长率的影响
(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7000 Nm/Kg;预应力筋6000
-7000 Nm/Kg;冷加工钢筋约1000-1500 Nm/Kg
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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
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三、混凝土结构对钢筋性能的要求
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
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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。
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四、钢筋的优化及应用
2.不同类型钢筋的材料性能-金相组织
普通热轧钢筋HRB 细晶粒热轧钢筋HRBF 余热处理钢筋RRB
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四、钢筋的优化及应用
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
光圆
刻痕-三面
等高肋
螺旋肋
月牙肋
冷轧带肋-两面
螺旋槽
冷轧扭
冷轧带肋-三面 刻痕-两面
三股钢绞线
七股钢绞线
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四、钢筋的优化及应用
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。
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四、钢筋的优化及应用
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
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四、钢筋的优化及应用
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
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五、设计规范修订对钢筋的优化选择
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
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五、设计规范修订对钢筋的优化选择
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
表达牌号直径
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六、结 束 语
消耗资源能源为代价的数量型增长难以持久
挥霍祖先的遗产;透支子孙的资源不可取
钢铁、建筑行业对节能、降耗、减排、环保负有重要责任
唯一出路是经济增长模式改变:变数量型增长为质量型增长
钢铁行业应生产高强-高性能钢材
建筑业应优化-选择节能型建筑材料
混凝土结构用钢筋发展尚须两个行业的共同努力
希望引起争鸣讨论,不确之处敬请批评指正
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