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(tīng)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(wàn)m2,約546萬(wàn)間;1976年7月28日的唐山大地震,造成房屋倒塌約6384萬(wàn)m2.可以說(shuō)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(shuō)"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(shuō)來(lái),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(guò)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(lái)提高鋼筋的強(qiáng)度,從而節(jié)約配筋.用冷加工方法來(lái)提高鋼筋強(qiáng)度的主要問(wèn)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(shuō),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(guò)近年來(lái)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(lái)說(shuō),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(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)提高高溫強(qiáng)度(Mo含量過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)特定的熱加工工藝控制鋼的變形組織、再結(jié)晶過(guò)程和相變過(guò)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(wèn)題是焊接過(guò)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(yǔ)

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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