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混凝土结构中的预应力钢筋及在抗震建筑中的应用
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　　摘要：本文介绍了建筑工程中常用预应力钢筋。对普通钢筋、冷加工钢筋、预应力钢丝和钢绞线在成型工艺、主要力学性能、耗能特性等方面进行了对比。阐述了抗震混凝土结构对钢筋和预应力结构的使用要求。 中国论文网 /2/view-4616885.htm　　关键词：预应力钢筋；力学性能；抗震结构 　　中图分类号：U452.2+8 文献标识码：A 文章编号： 　　 　　0．概述 　　本文介绍了建筑工程中常用预应力钢筋。对普通钢筋、冷加工钢筋、预应力钢丝和钢绞线在成型工艺、主要力学性能、耗能特性等方面进行了对比，阐述了抗震混凝土结构对钢筋和预应力结构的使用要求。本文主要目的是认识三种钢筋的区别，消除预应力钢筋都是冷加工钢筋的误解，让读者了解目前广泛使用的钢绞线已有相当好的延性，现代预应力混凝土结构已有与普通混凝土结构相当的抗震性能，且有优于普通混凝土结构的变形恢复能力。 　　 　　1 混凝土结构中的钢筋 　　1.1 钢筋的组分和工艺 　　钢筋的成分主要是铁（Fe）与碳（C）。钢筋的力学性能（强度及延性）在很大程度上取决于碳、其他元素的含量及分布（金相结构），而金相结构又取决于钢筋的成型工艺。一般低碳钢筋（HPB）延性特别好，但强度很低（235MPa），通过轧制可以将其强度提高到300MPa。而继续提高钢筋强度，就要采取以下途经。 　　1）合金化（HRB）；2）控晶细晶粒（HRBF）；3）淬水余热处理（RRB）；4）热处理。《混凝土结构设计规范》4.2.2条所列的中强度预应力钢丝、消除应力钢丝、钢绞线都经过了热处理工艺；5）冷加工。在常温条件下通过冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷镦等机械方法改变钢筋的直径和长度，使其成为各种外形的冷加工钢筋（钢丝）。 　　1.2 普通钢筋 　　《混凝土结构设计规范》GB中，普通钢筋都是热轧钢筋。HPB300是热轧低碳光园钢筋，HRB335、HRB400、HRB500是合金普通热轧带肋钢筋，HRBF335、HRBF400、HRBF500是细晶粒热轧带肋钢筋，RRB400是余热处理热轧带肋钢筋。 　　以上HRB、HRBF、RRB同级的钢筋虽然强度指标是相同的，但延性、连接传力性能依次降低。HRB、HRBF性能相差不多，使用限制很少。RRB400是余热处理钢筋，钢筋焊接受热回火可能降低强度，并且高强度部分集中在钢筋表层，疲劳性能、冷弯性能可能受到影响，钢筋机械连接表面切削加工时也可能影响强度，因此应用会受到较多的限制，一般用在非主要受力构件中，设计选择时应注意。 　　作为普通钢筋的热轧钢筋它们的均匀伸长率（最大力下的总伸长率，延性的重要指标）δgt较大，都有很好的延性（RRB稍差）和耗能特性，有关指标见表1。 　　热轧钢筋具有软钢性质，有明显的屈服点。普通钢筋有两个特征强度：屈服强度和抗拉强度。抗拉强度就是就是对应强化阶段最高点的强度极限。根据可靠度要求，混凝土结构设计规范取具有95％以上的保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk，fyk用于正常使用极限状态的验算。承载能力极限状态计算应采用钢筋强度设计值fy（受拉）fy’及（受压），强度设计值应由标准值除以材料分项系数γs而得，普通钢筋分项系数γs=1.1. 　　表1 钢筋的均匀伸长率δgt及断裂耗能指标Wt(N·m/kg) 　　 　　 　　1.3冷加工钢筋 　　钢筋的冷加工是通过采用冷加工强化控制轧制工艺来改变热轧钢筋的组织以提高强度，也即对热轧钢筋进行深加工。冷加工的工艺包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷镦。如热轧园盘条低碳钢筋经过冷拔形成冷拔低碳钢丝；盘条经冷轧或冷拔减径后在其表面冷轧成三面或两面有肋的钢筋形成冷轧带肋钢筋；冷轧扭钢筋是盘条经过先冷轧扁，再冷扭转形成的呈螺旋状的直条钢筋。 　　冷加工钢筋的特点是强度提高，强屈比降低，应力应变曲线呈硬钢性质，无明显屈服点，均匀伸长率δgt大幅度下降，呈明显的脆性。如我国热轧钢筋δgt在8％～18％之间，而冷轧扭钢筋δgt只有1.6%左右，强屈比大约为1.1，大致的概念是强度提高了一倍，塑性降低了近十倍。冷轧带肋钢筋与冷轧扭钢筋也差不多，冷拔低碳丝更差。 　　冷加工钢筋一般仅用于延性要求不高的楼板中或作构造钢筋用。把冷加工钢筋作为预应力结构中的普通钢筋是不合适的。冷加工钢筋过去也用在楼梯板中，但汶川地震表明，地震作用下，楼梯板充当非常复杂的角色，破坏严重，延性要求高，因此楼梯构件也不应再用冷加工钢筋。《人民防空地下室设计规范》GB第4.4.2条明确规定“防空地下室钢筋混凝土构件中，不得采用冷轧带肋钢筋、冷拉钢筋等冷加工处理的钢筋”。 　　用优质高碳钢盘条经冷拔后直接用于预应力混凝土的光园钢丝叫预应力冷拉钢丝，这种钢丝强度较高，但存在残余应力，屈强比低，伸长率小，GB/T的标准仅要求δgt≥1.5，它也是一种高强冷加工钢筋，它也仅用于预应力铁路轨枕、压力水管、电杆等。 　　上述冷加工钢筋均没有列入《混凝土结构设计规范》GB、2010，也就是说，该规范第4.2节列出的普通钢筋和预应力钢筋都不是冷加工钢筋。该规范所列预应力混凝土用中强度预应力钢丝、消除应力钢丝、钢绞线是经过冷拔成型后，在一定的控制条件下进行热处理（回火），性能已有极大改善，与冷拉钢丝有本质区别。 　　1.4 预应力钢筋（预应力混凝土用） 　　预应力筋是施加预应力用的单根或成束钢丝、钢绞线、高强螺纹钢筋的总称。预应力筋按粘结状态不同，可分为有粘结预应力筋、无粘结预应力筋、缓粘结预应力筋。 　　1.4.1 预应力筋的品种 　　1.4.1.1预应力钢丝 　　预应力钢丝是用优质高碳钢盘条（含碳量为0.7％~0.9％）经索氏体化处理、酸洗、镀铜或磷化后冷拔而成的钢丝总称。预应力钢丝根据深加工要求（加工状态）不同，可分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按应力松弛性能不同，可分为普通松弛钢丝和低松弛钢丝。 　　1）冷拉钢丝。冷拉钢丝是经冷拔后直接用于预应力混凝土的光园钢丝。这种钢丝存在残余应力，屈强比低，伸长率小，仅用于预应力铁路轨枕、压力水管、电杆等。冷拉钢丝不包含在《混凝土结构设计规范》中。 　　2）消除应力钢丝（普通松弛型）。钢丝冷拔后经高速旋转的矫直辊筒矫直，并经回火（350～400 oC）处理的光圆钢丝。钢丝经矫直回火后，可消除钢丝冷拔中产生的残余应力，提高钢丝的比例极限、屈强比和弹性模量，并改善塑性；同时获得良好的伸直性，施工方便。这种钢丝以往广泛使用，由于技术进步，已逐步向低松弛钢丝发展。 　　3）消除应力钢丝（低松弛型）。钢丝冷拔后在张力状态下（张力为抗拉强度的30％～50％），经回火处理的光圆钢丝。钢丝在热张力状态下产生微小应变（约0.9％～1.3％）,从而使钢丝在恒应力下抵抗位错转移的能力明显提高，达到稳定化目的。稳定化处理的钢丝，弹性极限和屈服强度提高，应力松弛率大大降低。这种钢丝已在房屋、桥梁、市政、水利等大型工程中广泛使用。 　　钢丝按表面现状不同，可分为光园钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝。 　　预应力钢丝的规格与力学性能应符合国标《预应力混凝土用钢丝》（GB/T）的规定。 　　1.4.1.2 预应力钢绞线 　　预应力钢绞线是由多根冷拉钢丝在绞线机上成螺旋状捻制，并经消除应力而成。钢绞线的整根破断力大，柔性好，施工方便，具有广阔的发展前景。预应力钢绞线按捻制结构不同可分为：1×2钢绞线、1×3钢绞线、和1×7钢绞线等。1×7的钢绞线是由6根外层钢丝围绕着一根中心钢丝（直径加大2.5％）绞成，用途广泛。1X2钢绞线、1×3钢绞线仅用于先张法预应力混凝土构件。
　　钢绞线根据深加工要求不同又可分为：标准钢绞线、刻痕钢绞线和模拔钢绞线。 　　标准型钢绞线是由冷拉光圆钢丝捻制并经稳定化处理而成，称为低松弛钢绞线，低松弛钢绞线的稳定化处理与低松弛钢丝的张力轮法相同。 　　预应力钢绞线的规格与力学性能应符合国标《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T)的规定。 　　目前，在建筑工程后张预应力混凝土结构中，使用最普遍的是1X7高强低松弛钢绞线。 　　1.4.2预应力筋的主要力学性能 　　1.4.2.1 特征强度 　　1）高强螺纹钢筋。从应力－应变曲线特性看，高强螺纹钢筋尚属软钢性质，有较明显的屈服强度。高强螺纹钢筋是以屈服强度划分级别，其代号为”PSB”加上规定屈服强度最小值表示。 　　2）钢丝、钢绞线。从应力－应变曲线特性看，钢丝、钢绞线呈硬钢性质，通常没有明显的屈服强度，而只有抗拉强度以及相当于屈服强度的条件屈服点（即GB/T5223、GB/T5224中的σb (Rm)及“规定非比例伸长应力” σp0.2）。预应力消除应力钢丝、钢绞线的强度等级以其抗拉强度标准值fptk来标志，fptk取具有95％以上保证率的抗拉强度值。 　　消除应力钢丝、钢绞线这些硬钢性质的预应力钢筋，其强度设计值fpy取条件屈服点σp0.2除以分项系数γs=1.2确定，而条件屈服点σp0.2取公称抗拉强度fptk的85％，即fpy＝0.85fptk/1.2=0.7083fptk。需要注意的是，取σp0.2＝0.85 fptk仅仅是《混凝土结构设计规范》的规定，材料试验时应按照材料的各自国标执行，如GB/T 5223规定，低松弛钢丝、普通松弛钢丝的fpy与fptk之比分别不小于0.88、0.85；GB/T 5224规定，钢绞线的fpy与fptk之比不小于0.9. 　　条件屈服点σp0.2除是残余应变为0.2％时的应力值。对于条件屈服点，国际上还没有一个统一的标准。例如，国际预应力协会和欧洲取残余应变为0.1％时的应力值σp0.1，我国和日本取残余应变为0.2％时的应力值σp0.2（对应拉力“非比例延伸力”Fp0.2），美国取加载1％伸长时的应力值σt1（对应拉力Ft1）。由于测定σt1（Ft1）更简单，因此GB/T 5223规定当σt1符合σp0.2值时可以交货，但仲裁试验时要测定σp0.2 。GB/T 5224规定，当Ft1符合Fp0.2值时可以交货，但仲裁试验时要测定Fp0.2. 　　国内有关低松弛钢绞线的试验表明，弹性比例极限σp约为极限强度σb（fptk）的0.8倍（近年大量试验表明钢绞线一般大于0.85），预应力筋在施加预应力时，应力不会超过0.8 fptk，因此，预应力筋的施工计算按线弹性假定是合适的。 　　1.4.2.2 均匀伸长率δgt 　　延性是钢筋变形、耗能的能力，具有不亚于强度的重要性。伸长率的数值与所采用的量测标距、位置有关。最大力下的总伸长率（均匀伸长率）δgt（或Agt）能反映钢筋拉断前的平均总变形，是钢筋延性的真实反映，它对混凝土构件的延性影响极大。 　　我国在普通钢筋中沿用的断口伸长率（δ5、δ10、δ100）表示延性，有很大的局限性。在比较伸长率时要搞清楚其含义和条件。 　　按国家标准，预应力钢筋最大力下的总伸长率（均匀伸长率）δgt统一为≥3.5 。 　　近年日常工地现场检验表明，低松弛钢绞线的均匀伸长率δgt 一般达到了5％以上，超国标要求，大大改善了延性。请教国内有关编制国标的专家究其原因，钢绞线δgt ≥5％，通过斜偏拉试验的成功率才高。 　　1.5 钢筋的断裂耗能 　　一般情况下，就《混凝土结构设计规范》所列普通钢筋而言，钢筋的强度越高，延性就越差；反之，强度低而延性相对就较好。但预应力钢筋则不然，级的低松弛高强钢丝、高强钢绞线比中强度钢丝不仅强度高，而且延性也好，也许这与前者在热处理过程中，进行了张力状态下的稳定处理有关。 　　单纯比较钢筋的强度和变形，都难以全面反映钢筋的力学性能的优劣。能够全面反映其力学性能的指标是钢筋的耗能特性，即达到受力特征点（屈服或断裂）时，单位质量钢筋所需要消耗的能量指标Wt（N·m/kg），其值可以用其应力－应变曲线下的面积积分并除以钢材的密度求得。 　　钢筋的耗能特性综合反映了其强度和延性性能，是更加客观、全面衡量钢筋力学性能的重要指标。我国的热轧钢筋、预应力高强（钢丝）钢绞线,、冷加工钢筋的耗能特性详见表1。在汶川地震中，不同钢筋延性及断裂耗能的差异，对构件的破坏形态以及结构倒塌的影响很明显。 　　2 预应力混凝土结构在抗震工程中的应用问题 　　2.1 中国规范对钢筋的延性要求与限制范围 　　《混凝土结构设计规范》GB之4.2.4条规定了普通钢筋及预应力钢筋均匀伸长率δgt的基本值，详见表1。 　　《建筑抗震设计规范》第3.9.2条规定，抗震等级为一、二、三级的的框架和斜撑构件（下称主要抗震构件），纵向普通钢筋实测强屈比不应小于1.25；屈服强度实测值与标准值的比值不应大于1.3，且均匀伸长率实测值δgt不应小于9％. 与表1数据对比可知，对主要抗震构件，要求比混凝土规范标准的底线更高一点。楼梯在整体结构中扮演的角色比较复杂，也应算作斜撑构件。 　　按照《混凝土结构设计规范》第4.2.1条之2：“梁、柱纵向受力钢筋应采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500钢筋”，RRB钢筋目前也不应用在主要抗震构件。 　　2.2 规范对预应力钢筋的使用要求 　　1）《混凝土结构设计规范》GB之4.2.1条之4：“预应力筋宜采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋”。 　　预应力螺纹钢筋的连接采用专用套筒连接，简单方便。锚固用特制螺母，几乎没有回缩，在桥梁箱型截面竖肋中广泛应用。2010规范增加的中强度预应力钢丝也是冷拔成型后热处理的钢丝，一般用在跨度不大的非主要抗震预应力构件中。主要抗震长构件应采用延性更好的低松弛高强钢丝或钢绞线，目前建筑工程中多用钢绞线。 　　2）《混凝土结构设计规范》GB之11.8.1条、11.8.2条涉及预应力混凝土结构应用范围和限制，11.8.3条～11.8.6条规定了预应力混凝土结构的构造要求。《建筑抗震设计规范》GB附录C也给出了预应力混凝土结构抗震设计要求。 　　对预应力混凝土结构在建筑工程中的应用范围，可以简单概括为：地震烈度8度以下，可以采用预应力混凝土结构，某些无粘结预应力杆系结构有一定限制，9度区应审慎研究。 　　对预应力混凝土结构的抗震要求，与普通混凝土结构基本一致，可以简单概括为：（1）强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件；（2）必须采用普通钢筋与预应力钢筋的混合配筋（部分预应力混凝土结构），并限制预应力筋强度比；（3）限制构件的相对受压区高度；（4）在潜在的塑性铰区加强箍筋配置，增强对纵筋及受压区混凝土的约束。 　　参考文献 　　[1] 徐有邻，混凝土结构设计原理及修订规范的应用.北京：清华大学出版社，2012 　　[2] 徐有邻，汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思 .北京：中国建筑工业出版社，2009 　　[3] 徐有邻，周氐，混凝土结构设计规范理解与应用. 北京：中国建筑工业出版社，2002 　　[4] 杨宗放，现代预应力工程施工，北京：中国建筑工业出版社，2008 　　[5] 吕志涛，现代预应力结构体系与设计方法. 南京：江苏科学技术出版社，2010
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