高强钢筋及其在工程中的应用.ppt
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1、高强钢筋及其在工程中的应用胡泓一 李 强,2014.11.5,一、推广应用高强钢筋的目的意义二、高强钢筋的应用研发与国内外应用概况三、推广应用高强钢筋中应注意的问题四、推广应用高强钢筋的政策目标与部署五、高强钢筋在设计软件中的应用,一、推广应用高强钢筋的目的意义,节能减排、节约投资,减少用钢量促进钢铁行业结构调整和产业升级与发达国家接轨结构设计更加科学合理,促进施工技术的进步,1、我国的巨大建设规模与节能减排的紧迫性 当前,我国经济与社会发展仍处于重要战略机遇期,其中的城镇化和工业化是推动我国经济持续发展的最强劲动力。2013年底我国的城镇化率为 53.73%,现仍以每年约1%的速度发展,每年
2、超过1000万人口进入城镇,这必然要求加快城镇的基础设施与房屋建设,提升城镇功能,改善居住与生活水平。可以预计,未来的1020年,仍将是我国房屋建设的高速发展期。,按2011年底统计,我国当年房屋的在建面积为91.88亿平方米,竣工面积高达21.89亿平方米,其中住宅竣工面积9.914亿平方米。2009 2011年竣工面积均已超过20亿平方米。2011年底,城镇居民人均建筑面积已达32平方米,有了较大的提高,但与发达国家相比,仍有一定的差距。除住宅建筑以外,城镇周边的工业建筑、城市的公共建筑都还有很大的需求和建设量。在2025年前,我国的房屋建设必将保持较大的建设规模与较快的建设速度。,近6年
3、我国建筑施工与竣工面积(亿平方米),原材料的消耗(2013年统计数据)全国水泥年产量24.1亿吨,占世界产量的58%;全国钢材产量达到10.68亿吨,粗钢产量7.79亿吨,占世界产量的48.5%。建筑用钢筋产量达2.06亿吨,建筑的钢筋用量约占全国钢产量的20%,是钢铁工业的第一大用户;大量应用钢筋水泥等建筑材料,需要消耗大量的铁矿石、石灰石等原材料,需要消耗大量的煤炭与电力,大量的运输,这些都对节能减排构成了很大的压力。引起北京雾霾天气,PM2.5长期超标的原因之一是北京周边河北省的钢铁、水泥、电力工业比较发达。,中国粗钢产量占世界产量的比例,2、钢铁行业面临的形势和对策目前钢铁行业存在的最
4、大问题是产能过剩,产业集中度低,技术含量不高,资源与能源消耗过大。大量原材料依靠进口,进口铁矿石比例达60%,铁矿石价格从2002年的22美元/吨涨到最高近180美元/吨,2013年均价为134美元/吨。,总体产能过剩,众多设备简陋的小型钢铁企业大量生产低强度等级的建筑用钢筋,造成原材料利用率低、环境污染严重;,一些技术含量高、生产效率高,能生产高强钢筋的企业,其产能得不到充分利用;必须以推广应用高强钢筋 为契机促进钢铁行业的 结构调整与产业升级,淘汰部分企业;,3、推广应用高强钢筋对节能减排的作用 400MPa、500MPa钢筋强度设计值比335MPa钢筋 高1.2与1.45倍。价格分别为3
5、35MPa钢筋的1.03倍与1.06倍,性能价格比分别为1.17与1.38倍。,钢筋强度设计值,钢筋强度等级,钢筋性能价格比,使用高强钢筋,可以在确保结构安全性能的同时,有效减少单位面积钢筋用量;使用高强钢筋,在考虑构造等因素后,平均可减少单位面积钢筋用量约1218;按钢筋工程节约的钢筋用量考虑,土建工程每平方米可节约25元38元;因此,推广应用高强钢筋的经济效益十分显著。,按照当前我国房屋建设规模计算,将高强钢筋应用比例从2011年的35%-2015年提高到65%;预计可节省2400万吨钢筋,总值为1000亿人民币;减少消耗3840万吨铁矿石、1440万吨标准煤、9840万吨水,减排4800
6、万吨CO2、4800万吨污水和3600万公斤粉尘。在减少钢铁生产能源资源消耗和污染物排放的同时,将有效缓解铁矿石进口、煤炭和电力供应压力,减少货运压力。提高建筑“四节一环保”水平,促进建筑业可持续发展。,4、高强钢筋对建筑结构性能的影响提高结构的配筋效率按承载能力控制时 充分发挥高强钢筋的效率,在确保安全性能的同时减少构件配筋率,减少原大型构件多排钢筋密集配筋时的钢筋排数,提高钢筋施工效率。对于大型公建、对于高层建筑的柱、大柱网的梁采用500MPa级高强钢筋效果很好。按构造配筋时 大量构件为构造配筋(如抗震构造要求、构件基本构造要求),按构造配筋时,由于采用高强钢筋,则增加了结构的安全储备。,
7、对结构性能的影响采用高强钢筋后对结构延性与裂缝宽度有一定 影响。高强钢筋的强度高,但延性也相应降低。构件的配筋面积减少、构件中钢筋应力相应提高。在正常使用极限状态下,受弯构件的裂缝要予以重视。结构在间接作用下(温度应力、混凝土收缩等)的裂缝要重视。,对抗震性能的影响高强钢筋随着强度的提高,其延性也相应减小。钢筋的延性是确保混凝土结构与构件抗震性能的一个重要方面。高强钢筋随着强度的提高,其强屈比也随之减小(特别是余热处理钢筋),在抗震性能方面也随之降低。抗震设计时,对一、二、三级抗震等级的框架和斜撑构件(含梯段),必须采用符合抗震性能要求的钢筋。强屈比 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值
8、 不应小于1.25;超强比 钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30;延伸率 钢筋最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9%。,钢筋牌号及标识带肋钢筋:第一个字母表示钢种,C细晶粒钢筋、K余热处理钢筋;无字母表示普通热轧钢筋(HRB);第一个数字表示强度级别,用3、4、5表示;E抗震钢筋;中间字母为企业标志;最后两个数字表示钢筋的公称直径。光圆钢筋:表面无标志,强度只有一种,直径直接量测。例如:3、4、5 分别为 HRB335、HRB400、HRB500;C3、C4、C5 分别为 HRBF335、HRBF400、HRBF500;K4 为 RRB400;4E 表示 HRB400E(
9、抗震钢筋);C4EHRBF400E(抗震钢筋),钢筋延性的影响:汶川地震中,不同延性钢筋断裂耗能的差异对构件破坏形态及结构倒塌的影响十分明显。热轧钢筋有很好的延性和耗能能力,在屈服以后没有断裂而成为抗倒塌拉结模型中的受力钢筋(图)。而强度较高的冷加工钢筋,由于延性太差,断裂耗能很小而在地震中普遍断裂,引起构件解体-结构倒塌。,5、应用高强钢筋对于提高混凝土施工技术 水平的作用 减少钢筋加工与运输安装量单位面积配筋率的降低,即提高了钢筋工程效率(钢筋工程包括调直、下料、成形、螺纹加工或焊接、钢筋绑扎)。有效减少人员消耗与钢筋加工的人工量。减少现场吊运与安装、提高机械台班效率。,有利于提高梁柱节点
10、钢筋绑扎质量有利于混凝土浇筑,保证混凝土施工质量,对钢筋的加工与连接、锚固技术提出了新的要求对钢筋的采购与质量检验要求更高施工企业要提高高强钢筋的加工技术水平对高强钢筋的连接要积极采用机械连接技术为减少钢筋的锚固长度要积极研发与应用高强钢筋机械锚固技术,锚固板在工程中的应用,发展钢筋综合加工与配送技术倡导钢筋专业化加工配送(提高钢筋加工效率、提高钢筋加工质量、减少施工现场人员消耗,提高钢筋利用率、减少现场建筑垃圾)。改变目前我国钢筋在施工工地单机加工的落后施工方法,开发和推广应用商品钢筋配送成套设备和钢筋构件现场加工成套设备,实现钢筋加工的工厂化、专业化及钢筋配送商品化。包括钢筋加工成型(线材
11、的调直与切断、棒材弯曲、箍筋弯曲加工)、钢筋网成型和钢筋笼柱成型等,减少施工现场钢筋加工的浪费,节约钢筋用量5%,并提高工效、保证质量。,二、高强钢筋的应用研发与国内外应用概况1、我国高强钢筋的定义高强钢筋是指强度级别为400MPa及以上的钢筋即混凝土结构设计规范GB500102010 中的400MPa、500MPa级的热轧带肋钢筋,2、钢筋的材料组成及生产工艺钢筋的材料组成碳含量的影响 钢筋的主要成分为铁(Fe)和碳(),低碳钢可以通过轧制的方法将强度提高到300MPa,如HPB300级光圆钢筋。合金化的影响 加入2%的锰(Mn)和硅(Si)以后,20MnSi 钢筋强度提高到335MPa,此
12、即在我国长期大量应用的HRB335级热轧带肋钢筋。微量元素的影响 在20MnSi 钢筋中加入稀有元素钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb),钢筋强度可以提高到400MPa、500MPa,这就是生产高强钢筋HRB400、HRB500的基本方法。,轧制工艺的影响微合金热轧钢筋(HRB400、HRB500)加入了微量元素,强度高延性好,弯曲性能、焊接性能、加工性能、施工适应性等都很优良。细晶粒钢筋(HRBF400、HRBF500)不加入微量元素,通过特殊的轧制设备和工艺生产。强度 高延性较好,性能接近微合金热轧钢筋。焊接性能、施工 适应性等稍差。余热处理钢筋(RRB400)在钢筋轧制后期,通过淬水使表层强
13、化以提高强度,利用芯部余热对钢筋表层回火处理以恢复部分延性。延性降低较多,冷弯性能变差,难以焊接,接头加工螺纹较难,施工适应性差。,HRB微合金化 HRBF细晶粒 RRB余热处理 不同品牌钢筋的金相结构,各工艺高强钢筋的性能对比,3、钢筋的强度指标钢筋的强度级别指钢筋的屈服强度 如HRB400级,屈服强度标准值为400MPa钢筋的极限强度指钢筋拉断的强度 如HRB400级,极限强度为540MPa钢筋的强度设计值指计算时采用的值 强度设计值=屈服强度标准值/材料分项系数 材料分项系数:1.1(300MPa 400MPa)1.15(500MPa)有屈服点的钢筋应力-应变图如HRB335级,强度设计
14、值为300MPa(335/1.1=300)HRB400级,强度设计值为360MPa(400/1.1=360)HRB500级,强度设计值为435MPa(500/1.15=435),普通钢筋强度标准值与设计值,4、国外高强钢筋应用情况高强钢筋普遍应用目前国外混凝土结构所采用的钢筋等级基本上以300MPa、400MPa、500MPa级三个等级为主。工程中采用400MPa级及以上高强钢筋较为普遍,其用量一般达7080%,其中以400MPa级的应用为主。,英国和德国:采用500MPa一个强度等级;主要原因是这些国家属于非地震区,不考虑抗震,总体建设量不大,钢筋牌号种类少也方便了钢筋的生产加工、工程设计与
15、施工应用。,澳大利亚采用250MPa、500MPa级二个强度等级;新西兰则采用300MPa、500MPa级二个强度等级。,欧盟:欧洲绝大部分地区属非地震区,欧盟规范EN1992钢筋强度规定 为400600MPa级。对于钢筋延性分为A、B、C三个 等级,其中的C级有极限应变应大于等于7.5%的要 求,与我国普通热轧带肋钢筋一致,但小于我国有 抗震性能要求带E的钢筋(均匀伸长率大于9%)。在南欧的地震区(如意大利、西班牙)要求采用延性等级为C级、强度等级为S450的钢筋。,美国:美国混凝土结构规范(ACI318)中,碳钢带肋钢筋与光圆钢筋有三种,为40级(280MPa)、60级(420MPa)、7
16、5级(520MPa);低合金带肋钢筋有一种,为60级(420MPa)。,日本:光圆钢筋有二种,SR235(235 MPa)SR295(295 MPa);热轧带肋钢筋有四种,SD295(295 MPa)、SD345(345MPa)、SD390(390MPa)、SD490(490MPa)。日本与我国目前钢筋标准较一致。俄罗斯:钢筋强度等级为300 600MPa。,5、我国高强钢筋应用研发情况 早期应用研发工作我国早期应用低碳钢筋,强度235MPa。上世纪六七十年代通过低合金化(加锰、硅),强度提高到335MPa;八十年代通过微合金化(加钒、钛、铌)及淬水余热处理两条途径开发了410MPa级高强钢筋
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