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钢筋混凝土结构中用钢─建筑材料成果

【摘要】:钢筋是钢筋混凝土结构的重要结构材料,同时钢筋在钢筋混凝土结构中的消耗量也很大。热轧光圆钢筋强度低,与混凝土的黏结强度也较低,主要用作板的受力筋、箍筋及构造钢筋。主要用作预应力钢筋混凝土轨枕,也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。刻痕钢丝由于屈服强度高且与混凝土的握裹力大,主要用于预应力钢筋混

【任务背景】 钢筋是钢筋混凝土结构的重要结构材料,同时钢筋在钢筋混凝土结构中的消耗量也很大。通过设计方、施工方的统计分析,在各种类型的房屋中钢筋的用量:多层砌体住宅钢筋用量为30kg/m2,多层框架住宅钢筋用量为38~42kg/m2,小高层钢筋用量为50~52kg/m2,高层17~18层钢筋用量为54~62kg/m2,高层30层钢筋用量为65~75kg/m2,高层酒店式公寓28层钢筋用量为65~70kg/m2。另外,钢筋与其他材料相比,其单价高、价格波动幅度比较大,对房屋造价成本影响较大。因此,建筑工程技术人员必须掌握各类钢筋的特点、性能和使用场所,根据建筑物所处的环境、地区及建筑物的类别进行正确选择,才能真正做到既满足结构安全的需要,又能有效控制钢筋的用量,满足经济的要求。

1.钢筋混凝土结构常用钢材品种

1)热轧钢筋

热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋,由低碳钢和普通合金钢在高温状态压制而成,主要用于钢筋混凝土和应力混凝土结构的配筋,是建筑工程中使用量大的钢材品种之一。直径6.5~9mm的钢筋,大多数卷成盘条;直径10~40mm的钢筋,一般是6~12 m长的直条。热轧钢筋为软钢,断裂时会产生颈缩现象,伸长率较大,热轧钢筋具备一定的强度,即屈服强度特征值和抗拉强度,它是结构设计的主要依据。同时,为了满足结构变形、吸收地震能量以及加工成型等要求,热轧钢筋还应具有良好的塑性、韧性和可焊性,与混凝土间的黏结性能良好。热轧钢筋根据其表面形状分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋两种,如图4-6所示。

图4-6 热轧钢筋

(1)热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋是指经热轧成型,横截面通常为圆形,表面光滑的成品钢筋。

根据国家标准《钢筋混凝土用钢 第1部分:热轧光圆钢筋》(GB1499.1—2008)以及自2013年1月1日起实施的国家标准化管理委员会批准的《钢筋混凝土用钢 第1部分:热轧光圆钢筋》(GB1499.1—2008)的规定,热轧光圆钢筋只有一个牌号HPB300。其牌号构成见表4-3。热轧光圆钢筋强度低,与混凝土的黏结强度也较低,主要用作板的受力筋、箍筋及构造钢筋。

(2)热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋又称螺纹钢,其表面有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。横肋的纵横面呈月牙形,且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋。横肋的纵横面高度相等,且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋。热轧带肋钢筋分为普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两大类。热轧带肋钢筋按屈服强度特征值分为400,500和600级。其牌号构成见表4-3。

表4-3 热轧钢筋牌号构成及含义

2012年1月4日,住房和城乡建设部与工业和信息化部联合发布建标〔2012〕1号文,即《住房和城乡建设部、工业和信息化部关于加快应用高强钢筋的指导意见》,该意见的主要目标是加速淘汰335MPa级螺纹钢筋,优先使用400MPa级螺纹钢筋,积极推广500MPa级螺纹钢筋,而《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中也指出,建筑结构中的纵向受力钢筋要优先采用400MPa级及以上螺纹钢筋,其中,梁、柱纵向受力钢筋应采用400MPa级及以上螺纹钢筋,梁、柱箍筋推广采用400MPa级及以上螺纹钢筋。目前,国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499.2—2007)颁布,正式取消335MPa级钢筋的使用,并新增了600MPa级普通热轧钢筋和带E的钢筋牌号。在表4-3中牌号加E(如HRB400E,HRBF400E)的钢筋,适用于有较高要求的抗震结构。

2)预应力混凝土用热处理钢筋

预应力混凝土用热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火、回火调质处理工艺生产的钢筋。在国内,热处理钢筋主要用于预应力混凝土轨枕,它与预应力钢丝相比,具有与混凝土的黏结性能好、应力松弛率低、施工方便等优点。

预应力混凝土用热处理钢筋通常有3个规格,即公称直径6mm(牌号40Si2Mn)、8.2 mm(牌号48Si2Mn)和10mm(牌号45Si2Cr)。热处理钢筋成盘供应,每盘长100~120m,开盘后钢筋自然伸直,按要求的长度切断。

热处理钢筋经调质热处理后,其强度高、韧性高,可代替高强钢丝使用;配筋根数少,节约钢材;锚固性好,不易打滑,预应力值稳定;施工简便,开盘后钢筋自然伸直,不需调直,不能焊接。主要用作预应力钢筋混凝土轨枕,也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。

3)预应力钢丝和钢绞线

大型预应力混凝土构件,由于受力很大,常采用强度较高的预应力高强度钢丝和钢绞线作为主要受力钢筋。

(1)预应力高强度钢丝

预应力高强度钢丝是由优质高碳钢热轧盘条经热处理和冷加工制成的适用于预应力混凝土配筋要求的钢丝的统称。此类钢丝钢的含碳量为0.65%~0.85%,硫磷含量均小于0.035%。钢丝的抗拉强度一般在1470MPa以上,其强度级别已逐步从以1470,1570MPa为主,过渡到以1670~1860MPa为主。钢丝直径在3mm以上,并已逐步从以3~5mm为主,过渡到以5~7mm为主。

预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两大类。冷拉钢丝是盘条通过拔丝等减径工艺经冷加工而形成的产品,以盘卷供货的钢丝,其代号用WCD表示。消除应力钢丝是按以下两种一次性连续处理方法之一生产的钢丝:一种是钢丝在塑性变形下(轴应变)进行的短时热处理,得到的应是低松弛钢丝,其代号用WLR表示;另一种是钢丝通过矫直工序后在适当的温度下进行的短时热处理,得到的应是普通松弛钢丝。

钢丝按外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝3种,如图4-7所示。其中,光圆钢丝的代号用P表示,螺旋肋钢丝用H表示,刻痕钢丝用Ⅰ表示。刻痕钢丝、螺旋肋钢丝和混凝土的黏结力好,消除应力钢丝的塑性比冷拉钢丝好。

图4-7 不同外形的预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝具有强度高、柔性好、无接头等优点。施工方便,不需冷拉、焊接接头等加工,而且质量稳定、安全可靠。主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁、电杆、枕轨或曲线配筋的预应力混凝土构件。刻痕钢丝由于屈服强度高且与混凝土的握裹力大,主要用于预应力钢筋混凝土结构以减少混凝土裂缝。(www.chuimin.cn)

(2)预应力钢绞线

预应力钢绞线是由2,3,7或19根高强度钢丝构成并经消除应力处理(稳定化处理)的绞合钢缆。为延长耐久性,钢丝上可以有金属或非金属的镀层或涂层,如镀锌、涂环氧树脂等。为增加与混凝土的握裹力,可以表面刻痕。

依据国家标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224—2014)可知,标准型钢绞线是由冷拉光圆钢丝捻制成的钢绞线;刻痕钢绞线是由刻痕钢丝捻制成的钢绞线;模拔型钢绞线是捻制后再经冷拔成的钢绞线。

钢绞线按结构分为以下8类:第一类,用两根钢丝捻制的钢绞线,用1×2表示;第二类,用3根钢丝捻制的钢绞线,用1×3表示;第三类,用3根刻痕钢丝捻制的钢绞线,用1×3I表示;第四类,用7根钢丝捻制的标准型钢绞线,用1×7表示;第五类,用6根刻痕钢丝和1根光圆中心钢丝捻制的钢绞线,用1×7I表示;第六类,用7根钢丝捻制又经模拔的钢绞线,用1×7C表示;第七类,用19根钢丝捻制的“1+9+9”西鲁式钢绞线,用1×19S表示;第八类,用19根钢丝捻制的“1+6+6/6”瓦林吞式钢绞线,用1×19W表示。部分钢绞线结构示意图如图4-8所示。

图4-8 部分钢绞线结构示意图

钢绞线具有强度高,松弛性能好,与混凝土黏结好,断面面积大,使用根数少,在结构中排列布置方便,易于锚固等优点,主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架,薄腹梁等构件,还可用于岩土锚固。

2.钢材种类的选用

对钢筋混凝土结构中的钢材,选择时应注意以下问题:

(1)满足强度的要求

普通钢筋是钢筋混凝土结构中和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋,主要是HPB3000,HRB400,HRB500,HRBF400,HRBF500等热轧钢筋。具体选择哪种牌号的钢筋,需根据工程要求确定。

(2)屈强比的要求

设计中应选择适当的屈强比,对于抗震结构,钢筋应力在地震作用下可考虑进入强化段,为了保证结构在强震下裂而不倒,对钢筋的极限抗拉强度与屈服强度的比值有一定的要求,一般不应小于1.25。

(3)满足延性的要求

在工程设计中,要求钢筋混凝土结构承载能力极限状态为具有明显预兆,避免脆性破坏,抗震结构则要求具有足够的延性,钢筋的应力应变曲线上屈服点至极限应变点之间的应变值反映了钢筋延性的大小。

(4)满足黏结性的要求

黏结力是钢筋与混凝土得以共同工作的基础,其中钢筋凹凸不平的表面与混凝土间的机械合力是黏结力的主要部分。变形钢筋与混凝土的黏结性能最好,设计中宜优先选用变形钢筋。

(5)满足耐久性的要求

混凝土结构耐久性是指在外部环境下,材料、构件、结构性能随时间而发生的退化,主要包括钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反应、化学作用等的机理及物理、化学和生化过程。混凝土结构耐久性的降低可引起承载力的降低,影响结构安全。

(6)满足工艺性能的要求

适宜施工性。在施工时钢筋要弯转成型,因而应具有一定的冷弯性能。钢筋弯钩、弯折加工时应避免裂缝和折断。热轧钢筋的冷弯性能很好,而性脆的冷加工钢筋较差。预应力钢丝、钢绞线不能弯折,只能以直条形式应用。同时,要求钢筋具备良好的焊接性能,在焊接后不应产生裂纹及过大的变形,以保证焊接接头性能良好。

(7)满足经济性要求

衡量钢筋经济性的指标是强度价格比,即每元可购得的单位钢筋的强度,强度价格比高的钢筋比较经济。不仅可以减少配筋率,方便施工,还可减少加工、运输、施工等一系列附加费用。

【课堂思考与讨论4-4】

(1)钢筋混凝土结构中纵向受力钢筋、箍筋如何选择?

(2)为什么普通钢筋混凝土构件不适宜采用高强度钢筋和高强度混凝土?