高強(qiáng)度約束箍筋用鋼筋的生產(chǎn)技術(shù)

范玫光，陳巧飛，鄧少奎，楊聚星，林雙平，孫本榮

中國鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京 100081

1 提高箍筋強(qiáng)度的必要性

我國是一個(gè)地震災(zāi)害頻發(fā)的國家，要求建筑具有一定的抗震能力。箍筋（見圖1）作為鋼筋混凝土建筑中普遍使用的鋼鐵產(chǎn)品，對建筑物的抗震性能有重要影響。在汶川地震中，很多柱體由于箍筋的強(qiáng)度不夠使柱子失效，導(dǎo)致建筑物整體迅速垮塌，人們沒有足夠的逃生時(shí)間[1]。根據(jù)發(fā)達(dá)國家的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)專家的研究結(jié)果，提高約束箍筋的強(qiáng)度可有效提高建筑的抗震性能，使建筑“壞而不倒”，保障人民生命安全[2～4]。同時(shí)，“肥梁胖柱、高墻深基”問題已困擾建筑行業(yè)多年，在高軸壓比等情況下，受建筑材料性能所限，構(gòu)件必須保證一定的體積，減少了實(shí)際使用面積，增大了材料消耗。此外，一些橋梁工程中曾出現(xiàn)由于箍筋強(qiáng)度不夠而增加箍筋數(shù)量，致使箍筋間距過密，沙石無法進(jìn)入的現(xiàn)象，而高強(qiáng)度箍筋可解決此問題，同時(shí)節(jié)約鋼材用量。

目前，我國使用的箍筋強(qiáng)度級別基本為235MPa和335MPa，與發(fā)達(dá)國家相比處于較低水平，如日本在高層建筑中大量使用785MPa、1275MPa級的箍筋[5]。由于生產(chǎn)技術(shù)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念原因，我國尚無專用高強(qiáng)度箍筋生產(chǎn)和應(yīng)用，帶來了安全性差、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等一系列問題。而隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)住宅與城市公共建筑的需求量不斷增加，箍筋強(qiáng)度級別有待提高的問題更加凸顯。因此，本研究從工藝與設(shè)備的角度，將高強(qiáng)度箍筋屈服強(qiáng)度提高至800MPa～1200MPa以上。

圖1 箍筋實(shí)物照片

2 高強(qiáng)度箍筋生產(chǎn)方法的選擇

目前鋼筋產(chǎn)品基本通過熱軋工藝直接獲得，若提高鋼筋強(qiáng)度，需加入V、Nb、Cr、Mo等合金元素，并進(jìn)行控軋控冷，國內(nèi)已有部分企業(yè)已采用這種技術(shù)生產(chǎn)出500MPa級鋼筋，個(gè)別企業(yè)試生產(chǎn)出了600MPa級產(chǎn)品。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已生產(chǎn)出785MPa級鋼筋產(chǎn)品。

將棒線材經(jīng)過較大程度的冷變形使強(qiáng)度提高是生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋的方法之一，例如冷軋帶肋鋼筋，其常用強(qiáng)度級別為550MPa、650MPa。但是，鋼筋的塑性性能會隨著強(qiáng)度的提高而降低，強(qiáng)度達(dá)到1000MPa時(shí)鋼筋將很難滿足彎箍操作對其彎曲性能的要求。

對鋼筋進(jìn)行熱處理也可提高其強(qiáng)度——將鋼筋加熱至奧氏體區(qū)后淬火，再經(jīng)過回火，使材料顯微組織由珠光體+鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w、屈氏體等馬氏體的回火組織，在顯著提高材料強(qiáng)度的同時(shí)可保存一定的塑性性能。該工藝不需要額外添加合金元素，原料成本低，且產(chǎn)品強(qiáng)度可達(dá)1200MPa以上，彎曲性能良好，因此本研究選擇熱處理工藝開發(fā)高強(qiáng)度箍筋的生產(chǎn)技術(shù)。

3 生產(chǎn)工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

為達(dá)到低成本的目的，選用幾種常見的低碳低合金鋼種進(jìn)行試驗(yàn)，具體化學(xué)成分見表1。選擇不同的淬火和回火加熱溫度，在線材連續(xù)感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線上對各鋼種的鋼筋進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)。高強(qiáng)度箍筋連續(xù)處理生產(chǎn)線主要包括放線機(jī)構(gòu)、成型機(jī)組、熱處理機(jī)組和收線機(jī)組，分別對熱軋盤條或鋼筋原料完成連續(xù)放線、表面成型/矯直、淬回火熱處理和收線成盤操作。其中，熱處理機(jī)組包括感應(yīng)淬火加熱爐、淬火冷卻水槽、感應(yīng)回火加熱爐和回火冷卻水槽。全線通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制運(yùn)行速度、感應(yīng)加熱爐功率、鋼筋張力等全部工藝參數(shù)，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

部分試驗(yàn)結(jié)果見表2。由于鋼筋拉伸過程中未見明顯屈服點(diǎn)，所以用非比例延伸強(qiáng)度衡量屈服強(qiáng)度。各試樣在彎曲直徑為3倍鋼筋公稱直徑時(shí)彎曲180°表面均未產(chǎn)生裂紋。

表1 各試樣化學(xué)成分（%）

表2 各試樣經(jīng)處理后的力學(xué)性能

鋼筋經(jīng)淬回火處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w和回火屈氏體組織，該組織不僅強(qiáng)度較高，且具有良好的韌塑性能，因此以上幾種低碳低合金鋼經(jīng)過淬回火熱處理后，屈服強(qiáng)度由400MPa～650MPa提高至800MPa～1200MPa以上，同時(shí)具有較好的延性（Agt為4.0%以上）和彎曲性能。

此外，鋼筋細(xì)小的晶粒也對材料的綜合力學(xué)性能做出了貢獻(xiàn)。這是由于在連續(xù)處理生產(chǎn)線中采用了感應(yīng)加熱爐作為加熱設(shè)備，其提溫速度較快，可達(dá)100℃/s以上，使奧氏體晶核生成速度加快，且保溫時(shí)間很短，阻礙了奧氏體晶粒長大。

4 高強(qiáng)箍筋約束混凝土試驗(yàn)及結(jié)果分析

使用普通箍筋和高強(qiáng)箍筋制作了約束混凝土柱體試件進(jìn)行對比軸壓試驗(yàn)，試件尺寸200mm×200mm×600mm，采用菱形配箍方式，混凝土強(qiáng)度為51.5MPa，其他箍筋配置參數(shù)見表3。

表3 試件箍筋配置參數(shù)

將試件在液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，測得在軸心荷載作用下約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，示于圖2。

圖2 試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖形對比可知：采用高強(qiáng)箍筋的試件2，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線達(dá)到第1峰值經(jīng)一水平段后，又開始上升，直至第2峰值后才逐漸下降，且第2峰值應(yīng)力高于第1峰值。隨后，荷載繼續(xù)增加，直至箍筋斷裂，整個(gè)破壞過程體現(xiàn)出很好的強(qiáng)度和延性性能。

試件1-1達(dá)到第1峰值后即持續(xù)下降，極限承載力明顯低于試件2，說明在體積配箍率相同的情況下，高強(qiáng)箍筋可獲得更高的極限承載力；而與試件2配筋間距相同、配筋率較高的試件1-2，其極限承載力略低，但延性顯著低于試件2，說明箍筋強(qiáng)度的提高可以顯著改善混凝土的延性性能，由于高強(qiáng)箍筋的直徑更細(xì)，在滿足更高的延性要求的同時(shí)還能節(jié)約鋼材。

5 結(jié)論

1）采用對熱軋線材進(jìn)行淬回火熱處理的方法生產(chǎn)高強(qiáng)度約束箍筋強(qiáng)度是可行的，對提高建筑抗震性能具有重要意義;

2）在連續(xù)生產(chǎn)線上，可由低碳低合金鋼熱軋?jiān)仙a(chǎn)出屈服強(qiáng)度級別800MPa～1200MPa、延塑性良好的高強(qiáng)箍筋;

3）與普通箍筋相比，高強(qiáng)箍筋在一定程度上提高了混凝土的極限承載力，并能較好的改善混凝土的延性性能。在相同的延性要求下采用高強(qiáng)箍筋可以降低用鋼量，更加經(jīng)濟(jì)。

[1]徐有鄰.汶川地震震害調(diào)查及對建筑結(jié)構(gòu)安全的反思.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009，123.

[2]史慶軒，等.高強(qiáng)箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱的偏心受壓試驗(yàn)研究.工業(yè)建筑，2009，39(10)：76-80.

[3]張?jiān)还?，?高強(qiáng)度螺旋箍筋約束下的高強(qiáng)混凝土圓柱延性分析.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，22(5)：713-717.

[4]ISHII Takumi, et al.Overview and Application ofSteel Material for High-Rise Building.JFE技報(bào)，2008，21：1-7.

[5]青山博之，張川.現(xiàn)代高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).重慶：重慶大學(xué)出版社，2006，56.