建筑用钢筋冷扎和带肋

建筑用钢筋优化刍议

中国建筑科学研究院徐有邻

摘要我国钢筋种类繁多，强度偏低，部分钢筋延性太差，已难以适应混凝土结构发展的需要。本文基于混凝土结构对受力钢筋的要求，从强度、延性、质量稳定性、锚固性能、施工适应性及经济等方面对现有钢筋进行了分析比较。根据我国国情及建筑市场的变化，提出了大力推广Ⅲ级钢筋及中高强钢丝钢绞线；发展小直径Ⅱ、Ⅲ级钢筋；优化或淘汰冷加工钢筋；发展与钢筋有关的配套技术等建议。本文可供建筑设计部门及冶金企业参考。

关键词混凝土结构钢筋优化

1概况

1.1 混凝土用钢筋的发展及现状

我国混凝土用钢筋的生产经历了三个阶段：五六十年代仿制前苏联生产光面、等高肋钢筋(螺纹、人字纹)以及钢绞线(七股)；七八十年代开发低合金钢筋及冷加工钢筋，生产月牙肋钢筋并发展冷拉钢筋及冷拔钢丝；九十年代以来采用国际标准生产各种中高强钢丝、钢绞线，并扩大冷加式钢筋的范围(如冷轧带肋、冷轧扭、螺旋肋钢筋等)。由于历史的原因，形成了目前钢筋新旧并存，品牌众多的局面。

1.2 我国现有钢筋品种及基本性能

我国现有钢筋分为热轧(冷拉)钢筋、中高强钢丝钢绞线及冷加工钢筋三类。基本性能如表１～３所示。

表1 热轧(冷拉)钢筋的基本性能

表2 中高强钢丝钢绞线的基本性能

表3 冷加工钢筋的基本性能

1.3 钢筋的外形及几何特性

肋、刻痕、旋扭、螺旋及绳状六大类，如图1所示。

(1)钢筋的外形我国钢筋的外形有光面、带

图1 各类钢筋的外形

(2)钢筋的几何特性根据钢筋产品标准所确定的外形尺寸，可以计算三个与钢筋性能有关的主要参数：

θA：基圆面积比即扣除横肋等非受力部分后，承受轴力有效截面积所占的比例，与钢筋的强度有关；

h/d：相对肋高凸起横肋或轧下凹痕与钢筋公称直径的比例，与锚固性能有关；

θr：肋面积比凸起横肋或下凹痕的横截面投影面积与钢筋表面积之比，与锚固性能有关。

其余几何参数还有肋(槽)与轴线的夹角，肋(槽)面的倾角，肋间距等，均与锚固性能有关。各类钢筋的主要几何参数如图2、图3所示。

图2 热轧(冷拉)钢筋的几何特性1—月牙肋；2—等高肋

1.4 优化建筑用钢筋的建议

由于历史的原因，我国钢筋品牌繁多，往往引起使用上的混乱，难以适应建筑市场发展及混凝土结构工程的需要。因此有必要通过对比研究而对现有钢筋进行优化。本文着重钢筋性能的分析比较并提出优化方案的建议。

图3 钢丝及冷加工钢筋的几何特性1—月牙肋；2—冷轧带肋；3—螺旋肋

2 混凝土结构对钢筋性能的要求

2.1 强度

钢筋强度是决定混凝土结构承载力的重要因素，一般说来，钢筋强度高的构件比较安全。故采用高强钢筋降低配筋率是发展方向，但并非强度越高越好。由于钢筋弹性模量基本为一常值，高强钢筋在高应力下受力往往引起构件过大的变形和裂缝。因此对普通混凝土结构而言，设计强度限为360MPa，强度过高没有意义。预应力结构解决了这个问题，通过张拉钢筋并对混凝土施加预应力，钢筋的高强度得以发挥。但同时又带来与混凝土协调受力的问题，受混凝土强度的制约，过高应力的钢筋锚固困难，强度难以发挥。因而预应力钢丝、钢绞线的高强度有一定限值，最高不超过1860MPa。

2.2 延性

延性是钢筋变形、耗能的能力，与强度具有同等的重要性。调查表明，很多事故特别是恶性事故并非钢筋强度不足，而是延性不够脆断而引起的。钢筋的延性通常用伸长率表示，即以量测拉断钢筋断口区域的相对变形来计算。由于量测标距不同(5d、10d、100mm)而出现了三种伸长率δ5、δ10、δ100。它们之间因标距不同而难以比较；断口伸长率只反映颈缩—断口局部区域的残余变形；与钢筋拉断时的应变状态(平均变形)相差甚远。且断口拼接量测误差较大，故难以真实反映钢筋的延性。因此现有伸长率的测定方法引起了一些概念上的混乱，有统一和改进的必要。在一般试验室条件下，量测试验后非颈缩断口区域标距l0内的残余应变ε=(l'-l0')/l0(l'为残余长度)，加上已回复的弹性应变应变εe=ζ0b/E s(ζ0b)为实测钢筋拉断强度，Es为弹性模量)而得钢筋在最大力下的总伸长率(简称均匀伸长率)δgt作为钢筋延性的指标(图4)。

均匀伸长率δgt真实地反映了钢筋在颈缩拉断前的平均(非局部区域)伸长率，客观地反映了钢筋的变形能力，是比较科学的延性指标。

强屈比(ζb/ζy)也反映了钢筋的延性，抗震结构要求受力钢筋的强屈比不小于1.30。

2.3 质量稳定性

钢筋力学性能的稳定性十分重要。规模生产的钢筋产品强度及延性离差小，均质性好，性能稳定，质量有保证。而对钢筋进行二次冷加工(冷拉、冷拔、冷轧、冷扭)后离散度加大，质量不稳定。尤其是小规模作坊式的生产，由于我国母材(盘条)普遍超粗；加工工艺粗糙；缺乏有效的技术管理和严格的质量检验；质量波动大；不合格率高；往往影响结构的安全。

2.4 锚固性能

锚固是混凝土结构中钢筋受力承载的基础。锚固性能包括锚固刚度(制约滑移的能力)、锚固强度(锚固应力最大值)及锚固延性(滑移较大时维持锚固的能力)。通常以锚固钢筋拉拔试验测得的锚固应力—滑移(η－S)曲线来综合反映(图5)。

图4 钢筋均匀伸长率的测定

咬合力是锚固作用的主要部分，由钢筋横肋对肋间混凝土咬合齿的挤压形成，与肋高、肋面积比及咬合齿形态有关。由于斜向挤压最终导致混凝土沿钢筋纵向劈裂，锚固强度受到削弱，并在滑移较大时将咬合齿切断而锚固破坏。劈裂力仅在横肋处发生，因此对于非极对称截面的月牙肋及冷轧带助钢筋，劈裂具有方向性(图6)。

图5 各种钢筋τ－s曲线

光面钢筋的滑移大，锚固强度低延性差；刻痕钢丝及螺旋槽钢丝的混凝土咬合齿太单薄，与光面钢筋无大区别；等高肋钢筋咬合齿很深，锚固刚度及强度高，但锚固延性较差；月牙肋及冷轧带肋钢筋锚固刚度和强度稍低，且劈裂有方向性，但锚固延性好；旋扭状的钢绞线及冷轧扭钢筋靠侧面旋角的挤压作用咬合，锚固刚度及强度较低，但锚固延性好；螺旋肋钢丝靠横肋挤压持力，混凝土咬合齿较宽大且为连续螺旋状，锚固刚度、强度和延性都较好，是比较理想的钢筋外形。

图6 咬合作用及锚固破坏

钢筋的锚固性能在设计中表现为锚固长度［l a］，即钢筋能发挥设计强度所必须锚入混凝土的长度。锚固性能好的钢筋锚固长度短，反之则长。光面钢筋由于锚固性能差，还必须在末端做弯钩，依靠机械锚固作用持力。

自锚预应力钢筋通过混凝土的锚固作用而建