高強鋼筋在混凝土結構中的應用分析

【摘要】國內的建筑工程多以鋼筋混凝土結構為主，鋼筋的消耗量很大。推廣應用高強鋼筋，是落實國家的技術經濟政策，發展綠色、低碳建筑的重要舉措，從而實現節能、降耗、環保的目的。本文綜述了推廣應用高強鋼筋的重要意義，分析了高強鋼筋的性能、特點、應用原則以及推廣應用中存在的問題和有關建議等，為設計、施工技術人員提供參考。

【關鍵詞】高強鋼筋；混凝土結構；應用技術；分析

1、推廣應用高強鋼筋的重要意義

建筑業是國民經濟的支柱產業之一。近年來，隨著我國經濟的發展，城市化進程逐步加快，對建筑鋼材的需求與日俱增。但在建筑業迅猛發展的同時，我們也要應對能源、資源、環境的約束，2011年我國鐵礦石對外依存度達到60%，2012年，鐵礦石進口量達到7.436億噸。據專家預計，我國鐵礦石對外依存度將長期保持在60%以上。長期形成的高投入、高消耗、高污染、低產出造成我國的資源浪費及環境污染十分嚴重。我國單位GDP能耗仍是日本的4.5倍、美國的2.9倍，鋼鐵行業單位產品能耗比國際先進水平高10%～20%；水體化學需氧量指標、大氣中二氧化硫等主要污染物排放量居高不下，二氧化碳排放總量持續上升。不解決這些問題，我國資源難以支撐、環境難以承受、民生難以改善。

我國建筑工程以鋼筋混凝土結構為主，鋼筋消耗量很大。2010年全國城鎮房屋建筑鋼筋和線材用量1.3億噸，占其總產量一半以上，占鋼鐵總產量的16%。推廣應用高強鋼筋是實現減量化用鋼的重要途徑，據測算，以HRB400替代HRB335鋼筋可節約鋼材12%～14%；HRB500取代HRB400鋼筋可再節約5%～7%。在高層或大跨度建筑中應用高強鋼筋，效果更明顯，大約節省鋼筋用量30%。2010年全國高強鋼筋用量比例約35%，按照當前我國工程建設規模，如果高強鋼筋用量比例達到65%，每年大約可節省鋼筋1000萬噸，相應緩解鐵礦石進口、煤炭和電力供應的壓力。加快應用高強鋼筋，可以為我國帶來巨大的經濟和社會效益。

2、高強鋼筋的性能及特點

高強鋼筋是指抗拉屈服強度達到400MPa級（俗稱Ⅲ級鋼）、500MPa級（俗稱Ⅳ級鋼）及以上的帶肋鋼筋，具有強度高、綜合性能優的特點。上世紀末，國外大幅度提高了混凝土結構中鋼筋的強度，普遍以400MPa、500MPa（甚至600MPa）強度等級的鋼筋作為主要受力鋼筋；我國目前的用鋼水平遠低于國際水平，根據住建部、工信部《關于加快應用高強鋼筋的指導意見》，2013年底，在建筑工程中淘汰335MPa級帶肋鋼筋，2015年底，高強鋼筋的使用量達到建筑用鋼筋總量的65%以上。

高強鋼筋是指鋼鐵企業在冶煉過程中，在鋼中加入V、Nb、Ti等合金元素，因而金屬組織晶粒細、強度高、韌性好、易焊接。以20MnSiV為例，其化學成分與20MnSi相比，C、Si、Mn元素含量基本相同，只是在20MnSi中加入了V。在20MnSi中加入了釩后，釩在鋼中生成氮化釩，沉淀析出后提高了鋼的強度，同時由于氮化釩的沉淀析出，阻止了奧氏晶體的長大，從而也就細化了鐵素體晶粒。由于釩的加入，還能加速珠光體的形成，它能促進焊接熱影響區奧氏體晶界上鐵素體的形成，從而增加焊接熱影響區的韌性，達到提高焊接質量目的。HRB400與HRB335相比，具有以下優點：（1）強度高、延性好，可節省建筑用鋼；（2）性能穩定，應變時效敏感性低，安全儲備大；（3）焊接性能優良；（4）強屈比大于1.25，抗震性能好；（5）韌脆性轉變溫度低，在—40℃以下斷裂仍為塑性斷口；（6）具有較高的高應變低周疲勞性能，有利于提高工程結構的抗破壞能力。

3、高強鋼筋在建筑工程中的應用原則

高強鋼筋的推廣應用是混凝土結構的發展方向，有廣闊的市場需求，HRB400鋼筋于1996年開始在建筑工程領域中推廣應用，HRB500鋼筋于2005年正式開始工程試設計和施工，并建造了第一幢高層住宅，據有關統計，2006年我國鋼筋產量中HRB500鋼筋已達到25萬噸，占當年鋼筋總產量的0.2%～0.3%。在建筑工程中應用高強鋼筋，不僅可以減少鋼筋用量，減低工程造價，提高工程質量，而且目前國內鋼鐵企業的生產與應用條件已經成熟。在實際應用中，建設管理及專業技術人員應抓好幾個關鍵環節。

（1）選材方面：主要是執行國家標準《鋼筋混凝土用鋼第二部分：熱軋帶肋鋼筋》GB1499.2-2007，鋼筋的各項性能應符合標準GB1499.2-2007的規定。目前常用的高強鋼筋牌號有HRB400、HRB500、HRB400E、HRB500E，常用的公稱直徑為6、8、10、12、16、20、25、32、40㎜。對于熱軋細晶粒HRBF500級帶肋鋼筋，在工藝技術方面還需改進研究。

（2）設計方面：熱軋帶肋高強鋼筋的適用范圍與一般鋼筋相同，并且可以和其他鋼筋搭配使用，相應結構梁、板、墻的混凝土強度等級不宜低于C25，柱不宜低于C30。工程設計時主要是依據現行《混凝土結構設計規范》GB50010—2010。

采用400MPa、500MPa級鋼筋的混凝土和預應力混凝土結構構件，其內力分析、截面設計的基本原則，仍然是按承載力極限狀態進行強度計算。對于受彎構件，其設計原理與計算公式基本不變，只是鋼筋的強度有所調整。

配置于混凝土結構中的熱軋帶肋高強鋼筋，對鋼筋的錨固（包括在節點中的錨固）、連接以及縱向受力鋼筋的最小配筋率等應符合現行規范的構造規定。

按一、二級抗震等級設計各類框架結構梁、柱的縱向受力鋼筋，宜采用牌號帶后綴字母“E”的專用抗震鋼筋，鋼筋的強屈比、超強比和極限拉應變應符合現行規范的規定。

（3）施工方面：鋼筋進場時應進行質量驗收。工程技術人員應檢查出廠質量證明書和試驗報告單，按照規定分批進行見證取樣并送檢復試，鋼筋表面或每捆（盤）均應有明顯標志，鋼筋的牌號、強度等級、規格型號應符合設計文件的規定。

鋼筋代換應遵守構件承載力相等的代換原則，同時應進行最小配筋率、保護層厚度、裂縫寬度、剛度、錨固長度、搭接長度、焊接接頭及機械連接接頭的型式檢驗、抗震鋼筋的延性等復核。

鋼筋的彎鉤或彎折應符合設計要求和規范規定。采用機械連接的受力鋼筋應按現行規程進行鋼筋連接施工，并應加強對機械連接施工的管理和質量控制。采用焊接方式連接的受力鋼筋應按現行規定進行焊接施工，鋼筋焊接施工前應按規定對焊接試件進行檢驗，確認合格后方可正式進行焊接施工；500MPa級熱軋帶肋鋼筋為新品種鋼筋，不易保證焊接質量，根據經驗，500MPa級鋼筋連接方式不宜采用電渣壓力焊；對于采用焊接方式連接的細晶粒熱軋帶肋鋼筋和直徑大于25㎜普通熱軋帶肋鋼筋的焊接工藝，應進行專門檢驗，并具有可靠的工程經驗。

鋼筋在加工過程中，出現脆斷、力學性能異常以及焊接性能不良等現象時，施工技術人員應對該批鋼筋進行鋼筋牌號鑒別檢驗，如仍不能確定，需進一步做化學成分檢驗或其他專項檢驗。

4、應用高強鋼筋存在的問題

我國目前常用的高強鋼筋主要是400MPa級鋼筋，500MPa級鋼筋已在京津城際快速鐵路、京滬高鐵等國家重點工程中應用。歐美發達國家常用的是500MPa、600MPa級高強鋼筋，甚至還用到700MPa級。高強鋼筋在國內推廣應用比較緩慢，關鍵問題主要表現在以下幾個方面：

（1）對新技術認識不夠。長期以來我國生產和應用的建筑鋼材主要是HPB235和HRB335鋼筋，由于設計、施工人員對新技術認識不到位，從習慣考慮偏愛選擇Ⅰ級Ⅱ級鋼筋。國家相關部門對高強鋼筋的應用缺少宣傳和強制手段，造成國內地區之間、行業之間對高強鋼筋的應用存在嚴重不平衡，東部地區應用好于西部地區，大城市應用好于中小城市，房屋建筑工程推廣應用比較積極，交通、水利、電力等行業有待進一步加大推廣應用力度。

（2）生產供給和市場需求矛盾。豐富市場供給，滿足工程需要，是推廣應用高強鋼筋的基礎條件。建筑工程對鋼筋需求量大、規格要求多，建筑企業希望能夠便捷采購到所需貨物，但是目前市場上高強鋼筋產能分布區域不均，規格單一，產品批量供貨短缺，鋼鐵企業生產積極性不高，造成有些區域，還難以便捷地買到高強鋼筋，制約了高強鋼筋的推廣應用。

（3）技術與經濟方面存在矛盾。推廣應用高強鋼筋堅持以節材為核心，以結構安全為前提，經濟合理地選用。建筑企業整體利潤微薄，過高的材料價格影響建筑企業推廣應用的積極性；若材料價格過低，鋼鐵企業又缺少積極性，市場供給就成問題。高強鋼筋的價格適當合理，要確保鋼鐵企業和建筑企業合理利潤空間，形成“共贏”，是高強鋼筋成功應用的前提條件和重要保障。在高層和大跨度建筑結構設計時，應當選用高強鋼筋；對一般結構構件，當不需要很高強度時可采用普通強度鋼筋。綜合考慮鋼筋的強度和延性，結合構件受力特點選用鋼筋，降低工程造價。

（4）應用技術相對滯后。結構設計軟件和標準圖集還不能滿足高強鋼筋應用的需要。采用高強鋼筋以后，對混凝土構件的變形、裂縫控制問題，原來由鋼筋承載力強度控制，轉變成由構件的撓度、裂縫寬度所控制，混凝土結構中所配置的鋼筋相當一部分用量是作為安全儲備，不能充分發揮作用，成為設計推廣應用高強鋼筋的障礙。推廣應用高強鋼筋，對混凝土構件的變形裂縫計算進行改進，如果撓度、裂縫的計算方法調整融合不到設計軟件中去，需要設計人員手工復核，會增加設計人員的工作量，將影響設計人員推廣的積極性。

（5）施工技術要求相對提高。在施工階段，對鋼筋的加工、連接（包括綁扎、機械連接、焊接接頭等），需要繼續加強研究，同時應做好施工人員上崗培訓和鋼筋加工機械換代產品的配套生產。

（6）各行業間應用不平衡帶來不良影響。推廣應用高強鋼筋，房屋建筑行業是最積極的，而且已經取得了顯著成效。鐵路橋梁由于相應的《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應混凝土結構設計規范》修編滯后，所以我國的鐵路橋梁結構中很少采用高強鋼筋。水利工程往往由于施工工地偏遠，鋼筋采購難度大，而且主要使用32㎜以上的大直徑鋼筋，制約了高強鋼筋的推廣應用。

5、應用高強鋼筋的幾點建議

（1）政府主導，政策上支持鼓勵。政府相關部門應制定推廣應用高強鋼筋的“指導意見”和在建筑工程中應用的技術措施文件，并采取優惠政策，對科研、生產、設計、施工等單位給予資金、工程推優等政策上的支持，提高大家的積極性。對設計單位在評選優秀設計項目時給予傾斜，對施工單位在評選建筑施工獎項時給予傾斜，對科研及鋼鐵企業給予政策或資金上的支持。

（2）依靠技術進步，生產質優價廉產品。一是加大鋼鐵企業在高強鋼筋生產技術方面的創新力度。高強鋼筋的生產技術主要是在生產過程中，加入錳、釩、鈮、鈦等合金元素，而我國對錳礦、鈮鐵原料的對外依存度較高，進口原料提高了鋼鐵企業成本。

（3）加強應用技術研究及其宣傳力度。對高強鋼筋在混凝土結構中的應用關鍵技術進行系統研究，包括設計與施工相關規范、規程的修編、結構設計軟件的開發等并加大宣傳力度，深入開展高強鋼筋的推廣應用工作。

（4）加強施工企業的監管。推廣應用高強鋼筋，施工企業需要做好思想和技術兩方面的準備，對不同品種鋼筋的區分、鋼筋的錨固技術、機械連接技術、焊接技術、鋼筋加工設備的使用操作等，施工企業需要對相關人員開展培訓，使技術人員和操作人員掌握高強鋼筋的應用技術。

參考文獻：

[1]李空軍，楊勇新，王希偉.高強鋼筋在混凝土結構工程中的應用[J].廣東土木與建筑，2008（05）

[2]王超，劉伊生.高強鋼筋應用的經濟與社會效益比較[J].北京交通大學學報，2008（06）

[3] GB50010—2010.混凝土結構設計規范[S]北京：中國建筑工業出版社，2010