建造抗震房的高強(qiáng)度建筑用鋼

供稿|劉玉華 / LIU Yu-hua

內(nèi)容導(dǎo)讀

2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級(jí)地震,舉國(guó)牽掛,聽到看到災(zāi)區(qū)的一些慘景和造成的巨大生命財(cái)產(chǎn)損失,我們憂心忡忡、心急如焚.聯(lián)想到2008年5月12日汶川8級(jí)大地震,造成房屋倒塌約15578萬m2,約546萬間;1976年7月28日的唐山大地震,造成房屋倒塌約6384萬m2.可以說房屋的倒塌是地震災(zāi)害危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的主要原因.如果房子的抗震性能好、結(jié)構(gòu)安全,就能夠最大限度地保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全.

建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力是抗震防災(zāi)的第一道防線.地震發(fā)生時(shí),只要房子不塌,人民的生命財(cái)產(chǎn)就有可能得以保全.房屋等建筑的倒塌與破壞是造成地震災(zāi)害的最主要根源,正如美國(guó)科羅拉多大學(xué)的一位專家所說"造成傷亡的是建筑物,而不是地震".房屋的抗震性能影響因素很多,從使用材料粗略說來,對(duì)磚房等砌體結(jié)構(gòu)主要是圈梁和構(gòu)造柱--這些都是在磚房中設(shè)置的混凝土部分,其中配有一定數(shù)量的鋼筋,這些鋼筋混凝土部分的設(shè)置可以很好地提高其抗震性能;對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu),主要是鋼筋的配置數(shù)量和鋼筋的錨固;現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的整體性好;鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕;現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)比磚房和預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能好.

由于地震的作用不是力而是一種強(qiáng)迫位移,因此建筑物構(gòu)件的抗變形能力(韌性)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響.建筑用鋼筋除抗拉強(qiáng)度外,鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性也非常重要.單純的磚房等脆性砌體結(jié)構(gòu)大多會(huì)在地震中倒塌,在混凝土中配置了一定數(shù)量熱軋鋼筋的圈梁-構(gòu)造柱的磚砌房屋則大多"裂而不倒".這是由于圈梁-構(gòu)造柱體系中配置了韌性較好的熱軋鋼筋的圍箍-約束作用,使得磚砌墻體的過大變形得到控制,從而使建筑結(jié)構(gòu)具有一定的韌性.而對(duì)于混凝土構(gòu)件,是否發(fā)生鋼筋斷裂引起的脆性破壞或造成結(jié)構(gòu)倒塌,則更是取決于構(gòu)件中配置鋼筋的力學(xué)性能--強(qiáng)度和韌性.

建筑用鋼

建筑物的抗震性能既與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)也與建筑材料有關(guān).作為建筑物骨架材料,建筑用鋼材一直起著十分重要的作用.建筑用鋼材可以分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼材和土建用鋼材.鋼結(jié)構(gòu)用鋼材主要為低合金鋼及普通結(jié)構(gòu)鋼板材,部分重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求鋼材采用更高性能要求的材料.土建鋼材主要為螺紋鋼、圓鋼、線材及型鋼等,一般稱之為鋼筋.鋼筋廣泛用于各種建筑結(jié)構(gòu),特別是大型、重型、輕型薄壁和高層建筑結(jié)構(gòu).鋼筋外形分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩種,交貨狀態(tài)為直條和盤圓兩種.光圓鋼筋實(shí)際上就是普通的小圓鋼和盤圓.表面帶肋的鋼筋通常帶有2道縱肋和沿長(zhǎng)度方向均勻分布的橫肋.橫肋的外形為螺旋形、人字形、月牙形3種.帶肋鋼筋的公稱直徑相當(dāng)于橫截面相等的光圓鋼筋的公稱直徑.鋼筋的公稱直徑為8~50 mm,推薦采用的直徑為8、12、16、20、25、 32、40 mm.鋼筋在混凝土中主要承受拉應(yīng)力.帶肋鋼筋和混凝土有較大的黏結(jié)能力,能更好地承受外力的作用.

鋼筋是重要的建筑材料,其強(qiáng)度等級(jí)的升級(jí)與質(zhì)量水平的提高,對(duì)建筑物的抗震性能將產(chǎn)生直接影響.相關(guān)研究證明,微合金化、余熱處理、細(xì)晶化是發(fā)展高強(qiáng)度鋼筋的有效途徑.

在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、物資匱乏的年代,我國(guó)曾普遍采用對(duì)鋼筋進(jìn)行冷加工(冷拉、冷拔、冷軋、冷扭)來提高鋼筋的強(qiáng)度,從而節(jié)約配筋.用冷加工方法來提高鋼筋強(qiáng)度的主要問題是鋼筋的塑性降低且與混凝土的黏結(jié)性能不好.冷加工鋼筋強(qiáng)度的有限提高是以大幅度犧牲鋼筋的韌性為代價(jià)得到的,因此常會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂.

我國(guó)熱軋鋼筋的發(fā)展歷程:20世紀(jì)50年代低碳光圓鋼筋;20世紀(jì)60年代低合金鋼螺旋肋鋼筋(16Mn);20世紀(jì)70年代低合金鋼螺旋肋鋼筋(20MnSi,25MnSi);20世紀(jì)80年代微合金鋼月牙肋鋼筋(20MnSiV,20MnTi等);20世紀(jì)90年代微合金月牙肋鋼筋(HRB400、HRB500)以及控冷控軋鋼筋(HRR400);21世紀(jì)初細(xì)晶粒鋼筋(HRBF400).

隨著房地產(chǎn)和建筑市場(chǎng)對(duì)工程質(zhì)量要求的提高,建筑鋼筋的升級(jí)換代勢(shì)在必行,高強(qiáng)度化是其重要的方向.高強(qiáng)鋼筋的推廣還會(huì)促進(jìn)其他建材(如水泥、混凝土等)相應(yīng)地向高強(qiáng)度(高標(biāo)號(hào))發(fā)展,從而增加建筑物的安全性.四川大地震后,我國(guó)更加重視建材的抗震能力,高強(qiáng)抗震鋼筋成為地震災(zāi)后重建的迫切需要.國(guó)家有關(guān)部門明確要求災(zāi)后重建的建筑物均應(yīng)采用抗震性能好的建筑鋼材.

中國(guó)在鋼筋方面的系統(tǒng)研究工作始于20世紀(jì)60年代中期,到2013年1月1日正式實(shí)施新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1499.1-2008為止,我國(guó)已經(jīng)完成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1499三個(gè)部分的修訂--第1部分:熱軋光圓鋼筋(GB1499.1-2008);第2部分:熱軋帶肋鋼筋(GBl499.2-2007);第3部分:鋼筋焊接網(wǎng)(GB1499.3-2002).GB1499.1-2008《鋼筋混凝土用鋼 第1部分:熱軋光圓鋼筋》為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn),將熱軋光圓鋼筋國(guó)標(biāo)里有關(guān)HPB235的內(nèi)容刪除,且相關(guān)內(nèi)容由HPB300替代.從2008年3月1日起執(zhí)行的GBl499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》為國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),修改鋼筋牌號(hào)標(biāo)志HRB335、HRB400、HRB500 分別以3、4、5 表示,增加細(xì)晶粒熱軋鋼筋HRBF335、HRBF400、HRBF500分別以C3、C4、C5表示(細(xì)晶粒熱軋鋼筋的表示方法中加入英文單詞Fine的首字母"F"),并增加了鋼筋相對(duì)肋面積的計(jì)算公式.也就是說,今后看到鋼筋表面刻著"4",就是HRB400,也就是III級(jí)螺紋鋼.熱軋帶肋鋼筋的牌號(hào)由HRB和牌號(hào)的屈服點(diǎn)最小值構(gòu)成.H、R、B分別為熱軋(Hot rolled)、帶肋(Ribbbed)、鋼筋(Bars)三個(gè)詞的英文首位字母.熱軋帶肋鋼筋最多應(yīng)用的有HRB335(20MnSi)、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)、HRB500.新國(guó)標(biāo)實(shí)施后,建筑工程將優(yōu)先使用HRB400熱軋帶肋鋼筋(III級(jí)螺紋鋼),而新設(shè)計(jì)的建筑將不采用HRB400以下的鋼筋.

經(jīng)過近年來的努力,我國(guó)強(qiáng)度為400 MPa 的III級(jí)螺紋鋼的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成效.但是相對(duì)整個(gè)建筑鋼筋的發(fā)展來說,II級(jí)鋼筋仍占較大比例,強(qiáng)度為400 MPa的III級(jí)螺紋鋼高強(qiáng)度鋼筋所占比例較低,500 MPa以上鋼筋的建筑應(yīng)用更是屈指可數(shù).而西方發(fā)達(dá)國(guó)家建筑鋼筋早已升級(jí)到以屈服強(qiáng)度為400 MPa(III級(jí)螺紋鋼)以上級(jí)別的鋼筋為主.歐洲一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,如德國(guó),已基本采用500 MPa的鋼筋.由此可以看到,中國(guó)建筑鋼筋在應(yīng)用水平上與世界先進(jìn)國(guó)家還存在有巨大差異.

高強(qiáng)度鋼筋生產(chǎn)技術(shù)

微合金化鋼筋的開發(fā),使得鋼筋的生產(chǎn)技術(shù)前進(jìn)了一大步.釩(V)有"黑色魔石"之稱,含釩鋼具有強(qiáng)度高,韌性、耐磨性、耐腐蝕性好等特點(diǎn).另外鈮(Nb)、鈦(Ti)等元素的微量加入也會(huì)提高鋼筋抗震性能的綜合指標(biāo).因而在鋼中加入微量合金元素釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)等,可以利用固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化機(jī)制來提高鋼材強(qiáng)度.

固溶強(qiáng)化:當(dāng)向鋼中加入能與Fe置換的元素時(shí),由于溶質(zhì)原子與基體金屬原子大小不同,因而使基體的晶格發(fā)生畸變,造成一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng),它與位錯(cuò)本身的應(yīng)力場(chǎng)交互作用,增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,從而導(dǎo)致強(qiáng)化.

第二相強(qiáng)化:當(dāng)向鋼中加入強(qiáng)碳化物形成合金元素時(shí),合金元素形成的碳化物顆粒分布于晶界和晶內(nèi),當(dāng)位錯(cuò)經(jīng)過它們時(shí),阻力增大,從而強(qiáng)化材料.同時(shí),分布于晶界的第二相顆粒,對(duì)晶界具有釘扎作用,且能降低晶界處界面能,從而阻礙晶界的運(yùn)動(dòng),對(duì)晶粒長(zhǎng)大具有抑制作用,因此,利用合金元素的作用也可以細(xì)化晶粒.

采用微合金化改善鋼筋的綜合性能最為有效.在熱軋鋼筋中摻入微量的釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)作為合金元素,就足以大幅度提高其強(qiáng)度并保持優(yōu)良的韌性及施工適應(yīng)性.在微合金化非調(diào)質(zhì)鋼中,V在鋼中具有強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用,在鋼中加入微量的V元素,可以獲得細(xì)晶粒組織,提高鋼的強(qiáng)度和抗震性能.Nb有助于保證鋼具有高強(qiáng)度和良好的韌性.Ti、V等微合金化元素可以在低碳錳鋼的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出高強(qiáng)度鋼筋,同時(shí)改善鋼筋的韌性、塑性和焊接性.為使鋼筋具有耐火性能,添加適量的Cr、Nb等微量元素,同時(shí)采用合理的軋制工藝,使之形成鐵素體-貝氏體組織,使微合金鋼在高溫下具有高的屈服強(qiáng)度.也可以添加適量的Mo,Mo在控制奧氏體轉(zhuǎn)變中會(huì)產(chǎn)生特殊的效果,使之形成微細(xì)的碳化物,利用其固溶強(qiáng)化來提高高溫強(qiáng)度(Mo含量過高,會(huì)惡化焊接性和焊接熱影響區(qū)的韌性,故需適量添加).Mo和Nb也將協(xié)同作用,通過形成Nb(Mo)(C,N)顆粒提高鋼的固溶強(qiáng)化效果.由于Nb也有助于相變過程的控制,因此直接淬火的Mn-Mo-Nb熱軋鋼筋展現(xiàn)出特別高的屈服強(qiáng)度和良好的韌性.

余熱處理鋼筋是利用熱處理原理進(jìn)行表面控制冷卻,并利用熱軋鋼筋自身芯部余熱完成回火處理所得的成品鋼筋.余熱處理鋼筋一般在軋鋼作業(yè)線上直接利用軋制余熱進(jìn)行熱處理.鋼筋從熱軋軋機(jī)的成品機(jī)架軋出后,經(jīng)冷卻裝置進(jìn)行快速表面淬火,然后利用鋼筋芯部熱量由里向外自回火,并在冷床空冷至室溫,被稱為"余熱處理鋼筋"或"穿水鋼筋".余熱處理鋼筋技術(shù)能有效發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度潛力,大幅度降低合金元素用量.

細(xì)化晶粒是同時(shí)提高鋼的強(qiáng)度和韌性的有效方法.通過對(duì)鋼的微觀組織的控制大幅度提高鋼材的綜合性能,是開發(fā)鋼材潛能、提高鋼材利用率的重要途徑之一.組織控制最有效的手段就是通過特定的熱加工工藝控制鋼的變形組織、再結(jié)晶過程和相變過程,獲得細(xì)晶組織.常用的晶粒細(xì)化方法有雙相區(qū)軋制法、形變強(qiáng)化相變法、鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶法、奧氏體鐵素體區(qū)循環(huán)相變軋制法等.

雖然鋼鐵材料隨著晶粒的變小而在室溫下的強(qiáng)度上升且韌性亦同時(shí)提高,但是細(xì)晶化降低了鋼的強(qiáng)屈比,依靠細(xì)晶強(qiáng)化的碳素鋼鋼筋和20MnSi鋼鋼筋強(qiáng)屈比均降低到1.20以下,而抗震鋼筋要求強(qiáng)屈比高于1.25;細(xì)晶粒鋼筋的另一個(gè)問題是焊接過程的高溫將導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大,從而使焊接接頭出現(xiàn)軟化.提高細(xì)晶粒鋼筋的強(qiáng)屈比、研究細(xì)晶粒鋼筋的連接技術(shù)是今后推廣細(xì)晶粒鋼筋的工作重點(diǎn).

結(jié)束語

隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)能力的提高,我國(guó)建筑用鋼生產(chǎn)已經(jīng)從生產(chǎn)低檔次的鋼筋,發(fā)展到能生產(chǎn)各種高強(qiáng)度建筑鋼筋.使用高強(qiáng)度鋼筋為老百姓建造抗震性能好、結(jié)構(gòu)安全的房子,就能夠最大限度地保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全.

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