國內HRB600級高強鋼筋研究及應用現狀

張永志 于本田

（1甘肅省建筑科學研究院，甘肅 蘭州 730000；2蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3甘肅省綠色建筑與建筑節能工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

國內HRB600級高強鋼筋研究及應用現狀

張永志1,3于本田2

（1甘肅省建筑科學研究院，甘肅 蘭州 730000；2蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3甘肅省綠色建筑與建筑節能工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

HRB600級鋼筋因其強度高、延性好、擁有良好的使用性能，在國外已經得到廣泛應用。國內對HRB600級鋼筋才剛剛起步，本文對國內HRB600級鋼筋生產工藝、力學性能、配置HRB600鋼筋的混凝土構件抗彎、抗剪性能、疲勞性能以及抗震性能相關研究進行了歸納總結，并提出需進一步研究的問題。

HRB600；高強鋼筋；力學性能；現狀

1 前 言

在國家大力提倡節能減排、綠色環保的時代背景下，普通強度鋼筋作為土木工程建設用鋼主材的狀況已無法滿足建設發展的需要，2012年年初，為落實國務院關于節能減排的工作部署及國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要的要求，住房和城鄉建設部、工業和信息化部聯合印發了《關于加快應用高強鋼筋的指導意見》，指導意見充分認識到推廣應用高強鋼筋的重要性和緊迫性，并提出了推廣應用高強鋼筋的指導思想、基本原則、主要目標等。我國高強鋼筋應用量占鋼筋總用量的比例已經從2011年的35%提高至70%左右，每年大約可節省鋼筋1000萬噸，相應減少1600萬噸鐵礦石、600萬噸標準煤、4100萬噸水、同時減少二氧化碳和污水排放量2000萬噸、粉塵1500萬公斤[1]?；炷两Y構中采用高強鋼筋已經取得了良好的社會、經濟效益。但是，目前我國主要使用的是400MPa的鋼筋，2010年《鋼筋混凝土設計規范》（GB50010-2010）發布后，500MPa鋼筋得到廣泛的應用。較西方發達國家鋼筋強度普遍在500~700MPa之間，我國使用的鋼筋強度還是偏低。HRB600鋼筋是一種新型的高強鋼筋，通過微合金化技術，鋼筋的屈服強度和極限抗拉強度都有大幅度提高，并具有良好的塑性和加工性能[2]。2011年由河北鋼鐵集團承鋼線材生產線依托釩鈦資源優勢成功研發，目前國內大多數鋼鐵生產企業都具備了生產600MPa鋼筋的生產技術。但由于在現行的國家標準中對600MPa鋼筋的力學性能以及在鋼筋混凝土中的參數取值未有規定，導致目前在我國600MPa高強鋼筋應用極少，缺乏全面系統的相關混凝土構件及結構的力學性能研究，尤其是基礎性試驗研究不足，直接影響了HRB600級鋼筋在實際工程中的推廣應用。本文歸納總結了HRB600高強鋼筋研究的最新進展，并提出了有待進一步研究的問題。

2 HRB600鋼筋生產工藝及力學性能研究

2.1 HRB600鋼筋生產工藝研究

2011年河北鋼鐵集團承鋼線材生產線在收集了大量國外相關資料，充分發揮釩鈦資源優勢，對釩鈦技術進行深層次研究，通過適量添加微合金元素-釩來改善鋼筋的化學成分，成功研制出了釩微合金化600MPa高強鋼筋，具有很好的綜合力學性能，滿足國家標準的要求。但是由于釩價格偏高，企業生產成本較高。因此，為降低生產成本，國內各大鋼鐵公司另辟蹊徑，研究采用復合微合金化結合TMCP技術生產HRB600高強鋼筋，這種方法充分發揮微合金元素所具有的析出強化和細晶強化，從而提高鋼的綜合力學能力[3]。沙鋼把微合金化技術和螺紋鋼筋的生產特點相結合，通過合理設計高強鋼的化學成分。同時，通過采用“轉爐+連鑄+加熱爐+控軋控冷”的工藝措施，使所生產的螺紋鋼筋性能更加穩定，晶粒也更加細小，有利于提高螺紋鋼強度和塑性[4]。濟鋼通過在鋼中增氮，會使釩在鋼中的存在形式由固溶態為主轉變為釩的碳氮化物的析出態，增強淀強化作用，而析出的氮化釩可以起到鐵素體相變中形核核心的作用，增加形核質點，誘導鐵素體析出，從而細化晶粒尺寸[5]。武鋼針對現有技術存在的因加入過多合金引起的碳當量過高而帶來的焊接性能變差問題，以及增氮過多而引起鑄坯低倍缺陷增多，帶來軋鋼時性能不合格的不足，在氬站采用吹入氬氣，在LF爐采用氮氣，其目的是為了在氬站成分微調時使成分均勻，而廉價的氮氣可以替代氮的合金從而降低成本。與現有技術相比，在成本大幅降低的前提下，其熱軋態屈服強度達到600MPa以上，延伸率A≥19%，且焊接性能優良[6]。謝常勝[7]通過改變鋼材晶體組織，優化設計出4種試驗鋼材，通過測試奧氏體長大傾向性試驗、連續冷卻轉變試驗等試驗，分析得到單一采用釩氮微合金化生產技術即可獲得以鐵素體珠光體為主的理想晶體組織，并且釩氮的量都很小，無需額外添加Nb等微合金元素，降低成本，可以避免應變時效。

2.2 HRB600鋼筋力學性能研究

由于現行的《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）、《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ18-2012）沒有將HRB600的鋼筋納入其中，所以很多學者對HRB600鋼筋進行了力學和焊接接頭的試驗研究。張敬濤[8]針對HRB600鋼筋正彎斷裂、反彎斷裂和斷后伸長率不足的問題進行了原因分析，指出通過提高鋼水純凈度、控制澆注溫度、二次冷卻及加熱溫度可以解決這些問題。胡煜[9]對陜西龍門鋼鐵有限責任公司生產的HRB600鋼筋原材進行了拉伸試驗，該鋼筋屈服強度為620~655MPa，抗拉強度為765~805MPa，斷后伸長率為19%~27%，另外還進行了HRB600鋼筋焊件的拉力試驗，斷裂部位均位于母材。鋼筋在高溫后性能會發生退化，其退化程度隨著經歷溫度的升高而增大，為研究HRB600級鋼筋在高溫情況下力學性能的變化情況，公偉[10]、潘江威[11]、于素健[12]分別進行了高溫后冷卻力學性能測試和高溫條件下力學性能測試，測試結果表明HRB600鋼筋在高溫后冷卻后受拉，在溫度為600℃以下，其應力應變曲線與常溫下無明顯變化，超過700℃其屈服強度和抗拉強度出現明顯下降，溫度越高下降幅度越大，且屈服強度下降的速率要大于抗拉強度；而在恒高溫情況下，抗拉強度和屈服強度的變化趨勢一致，隨著溫度升高而降低，溫度越高，強度降低幅度越大，400℃~600℃范圍內強度的下降速率達到最大，屈服強度要比抗拉強度的下降速率大。

3 HRB600鋼筋配置的混凝土構件性能研究

3.1 HRB600鋼筋混凝土梁抗彎性能研究

現行《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）未納入HRB600鋼筋，因此采用HRB600鋼筋配置的鋼筋混凝土梁在荷載作用下，構件的撓度能否滿足要求，裂縫開展情況是否與普通強度鋼筋相同都需要研究。在這一方面河北工業大學戎賢教授的研究團隊做了大量的研究工作：戎賢[13-14]、張健新[15]、趙少偉[16]、師長磊[17]、李強[18]、劉傳正[19]先后開展了配置600MPa鋼筋的有粘結、無粘結和部分粘結鋼筋混凝土梁和預應力鋼筋混凝土梁受彎性能試驗研究，分析《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）中受彎承載力、撓度計算公式是否適用于600MPa鋼筋，研究結果表明，配置600MPa鋼筋混凝土梁的受彎性能與普通的鋼筋混凝土梁相同，承載力和撓度計算可以按照現行規范中的計算公式進行。戎賢[13]研究認為承載力計算時，600MPa鋼筋設計值取520MPa，計算結果具有足夠的安全儲備，而李強[18]研究認為屈服強度設計值取為500MPa時，計算結果才具有足夠的安全儲備。張建偉[20]通過對9根HRB600級高強鋼筋高強混凝土梁和1根HRB400級鋼筋受彎的對比試驗，得到對于HRB600級鋼筋混凝土梁來說，現行規范中短期裂縫寬度、撓度計算仍適用，提出HRB600級鋼筋與C80-C100混凝土匹配效果更佳。張未[21]通過10根梁的受彎試驗研究，得到HTRB600級鋼筋混凝土受彎構件在正常使用狀態下的短期最大裂縫寬度一般大于0.2mm，不能滿足裂縫限制要求。

3.2 HRB600鋼筋作為箍筋的混凝土梁抗剪性能研究

HRB600級鋼筋作為抗剪箍筋的研究在國內研究較少，僅李朋[22]開展了配置1根HRB400、14根HRB500和1根HRB600鋼筋為箍筋的混凝土簡支梁在集中荷載作用下的抗剪承載力試驗研究，分析了混凝土強度、剪跨比、箍筋強度、配箍率和截面尺寸對梁體裂縫、撓度、承載力和破壞形態的影響，試驗研究結果表明配置HRB60鋼筋的混凝土梁斜截面承載力可按現行《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）的相關公式進行計算,并有足夠的安全儲備。

3.3 HRB600鋼筋混凝土構件疲勞性能研究

鋼筋混凝土結構在使用過程中，會承受反復荷載作用，為研究HRB600級鋼筋在疲勞荷載作用下的性能變化，國內學者進行了一定的研究。趙少偉[23]、李強[24]、郭蓉[25]通過對配置HRB600級鋼筋作為非預應力筋的有粘結與無粘結部分預應力混凝土梁進行了疲勞試驗研究，研究結果表明，HRB600級鋼筋作為非預應力筋的部分預應力混凝土梁的疲勞性能和反復荷載作用后的靜力性能均良好，但相對靜載試驗梁，配置HRB600級鋼筋的混凝土梁裂縫出現的時間更早一些，裂縫數量多，變形較大，循環加載前梁體是否開裂對疲勞性能有較大影響，而HRB600級鋼筋在疲勞荷載作用下力學性難穩定且變形恢復能力沒有受到疲勞荷載作用的影響。陳昉健[26]就HRB600級高強鋼筋本身進行了拉壓疲勞試驗，得到HRB600級鋼筋在拉壓往復荷載作用下，所能達到的最大應力和破壞前最大應變幅值均隨試件長度的增加而減小，受壓方向更為明顯，相對HRB500鋼筋，HRB600級鋼筋的所有試件都表現出脆性破壞特征。

3.4 HRB600鋼筋混凝土構件抗震性能研究

由于高強鋼筋和普通強度鋼筋的彈性模量相差不大，有觀點認為采用高強鋼筋后，構件中鋼筋在受拉屈服時達到屈服變形會增大，當構件失效后，高強鋼筋構件所能達到的延性系數要比普通鋼筋低，認為同等條件設計下，在地震荷載作用下配置高強鋼筋的構件抗震性能較差。針對這一問題國內學者開展了配置高強鋼筋構件的抗震性能試驗研究。在常規形狀混凝土柱抗震方面：同濟大學蘇俊省[27-28]、王君杰[29]開展了HRB600鋼筋作為螺旋箍筋約束下混凝土圓柱和矩形截面柱的抗震性能試驗研究，研究結果表明，采用高強度鋼筋作為箍筋的混凝土柱破壞形式也為典型的彎曲破壞，墩底會形成塑性鉸，縱筋斷裂，采用HRB600鋼筋等強度取代普通鋼筋作為箍筋，構件的抗彎承載力、變形能力、延性及耗能能力等抗震性能不會發生明顯降低，但采用高強鋼筋可減少鋼筋用量。張萍[30]研究了軸壓比對配置HRB600鋼筋作為箍筋混凝土柱抗震性能的影響，研究認為隨著軸壓比的增大，試件抗震性能將變差。劉彬[31]研究了HRB600鋼筋作為箍筋，箍筋形式對混凝土柱抗震性能的影響，認為矩形箍的抗震性能不如八角箍和井字箍，而后面兩種形式箍筋在抗震性能方面接近。在異形柱抗震方面：戎賢[32-33]先后對配置HRB600級鋼筋作為箍筋的十字形柱、T形柱進行了抗震試驗研究，研究結果表明配置HRB600鋼筋的十字形柱和T形柱都具有良好的變形能力和承載能力，增大配箍率可提高構件的變形能力，增強延性性能，軸壓比的提高對承載力有益，但會降低構件變形能力。在異形柱節點抗震性能的研究中，付廣東[34]與戎賢[35]都得到了配置HRB600鋼筋的異形柱節點比配置HRB500鋼筋的承載力高，但是滯回性差，變形能力差，剛度退化相對早，耗能能力減弱，但通過配置X形箍筋可改善節點破壞特征。在剪力墻抗震方面：郭蓉[36]研究了600MPa級高強鋼筋用于剪力墻邊緣約束端柱及墻板時對其抗震性能的影響，分析得到與普通鋼筋混凝土剪力墻相比，端柱采用等強度代換配置高強縱筋的混凝土剪力墻的屈服荷載、位移和變形能力均有所提高，墻板配置高強分布筋的混凝土剪力墻的抗彎承載力、各項抗震性能指標也均有提升。

4 HRB600鋼筋在工程中的應用

由于《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）、《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ18-2012）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）沒有將HRB600的鋼筋納入其中，目前HRB600鋼筋在實際工程中應用不多，僅在我國上海、江蘇和云南地區有一定數量工程中得到應用。吳棟[37]介紹了HTRB600高強鋼筋替代HRB400鋼筋在樓蓋梁板體系中的應用，并分析了采用HTRB600高強鋼筋代替HRB400鋼筋的經濟性，采用HRB600鋼筋，理論上結構最高節省用鋼造價16.48%。陳亞蓮[38]介紹了HTRB600E高強鋼筋在如皋農村商業銀行新建辦公大樓工程地下室頂板、主樓框架梁和板應用情況，對比分析得出采用HTRB600鋼筋代替相普通鋼筋，可減小鋼筋用量，也可改善框架結構梁柱節點和框架柱中鋼筋擁擠的現象，提高工程質量，取得較好的社會效益和經濟效益。陶榮生[39]介紹了HRB600鋼筋在上海市徐匯區某辦公樓項目基坑工程地下連續墻中的應用，經分析計算，采用600MPa高強鋼筋，可減少鋼筋用量，提高結構安全儲備能力，有助于保證工程質量。

5 有待進一步研究的問題

1）由于《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2013）一直未實施，關于HRB600級鋼筋的力學參數一直未明確，使得目前在使用HRB600級鋼筋時，對鋼筋的力學性能無法進行合格與否的判定，后續應對國內生產HRB600級鋼筋的廠家的鋼筋進行大量的力學性能試驗研究，通過大量的試驗數據，確定HRB600級鋼筋的力學指標，進一步完善規范規定。

2）目前HRB600鋼筋在工程項目中應用較少，因此有必要持續進行配置HRB600鋼筋混凝土構件的基礎性研究，如抗彎承載力、抗彎剛度、抗剪承載力等方面的試驗研究，試驗結果可為《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）修訂，為納入HRB600級鋼筋做基礎準備。

3）由于《鋼筋焊接及驗收規程》（JGJ18-2012）和《鋼筋機械連接技術規程》（JGJ107-2016）沒有HRB600鋼筋，研究使用HRB600級鋼筋采用焊接或機械連接后的鋼筋試件的功能，不同工藝連接的高強鋼筋接頭的可靠性與安全性是十分重要的。

4）抗彎試驗中發現梁身會產生水平方向的裂縫，這說明鋼筋和混凝土之間發生了相對滑移，需要研究HRB600級鋼筋與混凝土的粘結錨固性能，進行HRB600級鋼筋錨固長度、配箍率、混凝土保護層厚度、混凝土強度對高強鋼筋與混凝土間粘結錨固性能的影響規律和影響程度的基礎性試驗研究。

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Research and application on HRB600 in china

HRB600 grade-high-strength bars has been widely used at home and abroad, because of its high strength, good ductility and performance. In our country, the HRB600 steel bar is just started. This assay makes a summary on manufacturing technique, mechanical property, concrete ani-bending, shear resistance, fatigue property and seismic performance of HRB600 gradehigh-strength bars, and put up with the problems that need further research.

HRB600; high-strength bars; mechanical property; current status

TU528

B

1003-8965（2017）05-0097-04