建造抗震房的高强度建筑用钢

供稿|刘玉华 / LIU Yu-hua

内容导读

2013年4月20日四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震,举国牵挂,听到看到灾区的一些惨景和造成的巨大生命财产损失,我们忧心忡忡、心急如焚.联想到2008年5月12日汶川8级大地震,造成房屋倒塌约15578万m2,约546万间;1976年7月28日的唐山大地震,造成房屋倒塌约6384万m2.可以说房屋的倒塌是地震灾害危害人民生命和财产安全的主要原因.如果房子的抗震性能好、结构安全,就能够最大限度地保护人民的生命和财产安全.

建筑物和基础设施的抗震能力是抗震防灾的第一道防线.地震发生时,只要房子不塌,人民的生命财产就有可能得以保全.房屋等建筑的倒塌与破坏是造成地震灾害的最主要根源,正如美国科罗拉多大学的一位专家所说"造成伤亡的是建筑物,而不是地震".房屋的抗震性能影响因素很多,从使用材料粗略说来,对砖房等砌体结构主要是圈梁和构造柱--这些都是在砖房中设置的混凝土部分,其中配有一定数量的钢筋,这些钢筋混凝土部分的设置可以很好地提高其抗震性能;对于混凝土结构,主要是钢筋的配置数量和钢筋的锚固;现浇混凝土结构的整体性好;钢结构的质量轻;现浇混凝土结构和钢结构比砖房和预制混凝土结构抗震性能好.

由于地震的作用不是力而是一种强迫位移,因此建筑物构件的抗变形能力(韧性)对建筑结构的抗震性能有很大的影响.建筑用钢筋除抗拉强度外,钢筋与混凝土之间的黏结性也非常重要.单纯的砖房等脆性砌体结构大多会在地震中倒塌,在混凝土中配置了一定数量热轧钢筋的圈梁-构造柱的砖砌房屋则大多"裂而不倒".这是由于圈梁-构造柱体系中配置了韧性较好的热轧钢筋的围箍-约束作用,使得砖砌墙体的过大变形得到控制,从而使建筑结构具有一定的韧性.而对于混凝土构件,是否发生钢筋断裂引起的脆性破坏或造成结构倒塌,则更是取决于构件中配置钢筋的力学性能--强度和韧性.

建筑用钢

建筑物的抗震性能既与建筑结构设计有关也与建筑材料有关.作为建筑物骨架材料,建筑用钢材一直起着十分重要的作用.建筑用钢材可以分为钢结构用钢材和土建用钢材.钢结构用钢材主要为低合金钢及普通结构钢板材,部分重要结构设计中要求钢材采用更高性能要求的材料.土建钢材主要为螺纹钢、圆钢、线材及型钢等,一般称之为钢筋.钢筋广泛用于各种建筑结构,特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构.钢筋外形分为光圆钢筋和带肋钢筋两种,交货状态为直条和盘圆两种.光圆钢筋实际上就是普通的小圆钢和盘圆.表面带肋的钢筋通常带有2道纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋.横肋的外形为螺旋形、人字形、月牙形3种.带肋钢筋的公称直径相当于横截面相等的光圆钢筋的公称直径.钢筋的公称直径为8~50 mm,推荐采用的直径为8、12、16、20、25、 32、40 mm.钢筋在混凝土中主要承受拉应力.带肋钢筋和混凝土有较大的黏结能力,能更好地承受外力的作用.

钢筋是重要的建筑材料,其强度等级的升级与质量水平的提高,对建筑物的抗震性能将产生直接影响.相关研究证明,微合金化、余热处理、细晶化是发展高强度钢筋的有效途径.

在经济不发达、物资匮乏的年代,我国曾普遍采用对钢筋进行冷加工(冷拉、冷拔、冷轧、冷扭)来提高钢筋的强度,从而节约配筋.用冷加工方法来提高钢筋强度的主要问题是钢筋的塑性降低且与混凝土的黏结性能不好.冷加工钢筋强度的有限提高是以大幅度牺牲钢筋的韧性为代价得到的,因此常会导致脆性断裂.

我国热轧钢筋的发展历程:20世纪50年代低碳光圆钢筋;20世纪60年代低合金钢螺旋肋钢筋(16Mn);20世纪70年代低合金钢螺旋肋钢筋(20MnSi,25MnSi);20世纪80年代微合金钢月牙肋钢筋(20MnSiV,20MnTi等);20世纪90年代微合金月牙肋钢筋(HRB400、HRB500)以及控冷控轧钢筋(HRR400);21世纪初细晶粒钢筋(HRBF400).

随着房地产和建筑市场对工程质量要求的提高,建筑钢筋的升级换代势在必行,高强度化是其重要的方向.高强钢筋的推广还会促进其他建材(如水泥、混凝土等)相应地向高强度(高标号)发展,从而增加建筑物的安全性.四川大地震后,我国更加重视建材的抗震能力,高强抗震钢筋成为地震灾后重建的迫切需要.国家有关部门明确要求灾后重建的建筑物均应采用抗震性能好的建筑钢材.

中国在钢筋方面的系统研究工作始于20世纪60年代中期,到2013年1月1日正式实施新国家标准GB1499.1-2008为止,我国已经完成了国家标准GB1499三个部分的修订--第1部分:热轧光圆钢筋(GB1499.1-2008);第2部分:热轧带肋钢筋(GBl499.2-2007);第3部分:钢筋焊接网(GB1499.3-2002).GB1499.1-2008《钢筋混凝土用钢 第1部分:热轧光圆钢筋》为国家强制标准,将热轧光圆钢筋国标里有关HPB235的内容删除,且相关内容由HPB300替代.从2008年3月1日起执行的GBl499.2-2007《钢筋混凝土用钢 第2部分:热轧带肋钢筋》为国家强制性标准,修改钢筋牌号标志HRB335、HRB400、HRB500 分别以3、4、5 表示,增加细晶粒热轧钢筋HRBF335、HRBF400、HRBF500分别以C3、C4、C5表示(细晶粒热轧钢筋的表示方法中加入英文单词Fine的首字母"F"),并增加了钢筋相对肋面积的计算公式.也就是说,今后看到钢筋表面刻着"4",就是HRB400,也就是III级螺纹钢.热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成.H、R、B分别为热轧(Hot rolled)、带肋(Ribbbed)、钢筋(Bars)三个词的英文首位字母.热轧带肋钢筋最多应用的有HRB335(20MnSi)、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)、HRB500.新国标实施后,建筑工程将优先使用HRB400热轧带肋钢筋(III级螺纹钢),而新设计的建筑将不采用HRB400以下的钢筋.

经过近年来的努力,我国强度为400 MPa 的III级螺纹钢的应用已经取得了一定的成效.但是相对整个建筑钢筋的发展来说,II级钢筋仍占较大比例,强度为400 MPa的III级螺纹钢高强度钢筋所占比例较低,500 MPa以上钢筋的建筑应用更是屈指可数.而西方发达国家建筑钢筋早已升级到以屈服强度为400 MPa(III级螺纹钢)以上级别的钢筋为主.欧洲一些工业发达国家,如德国,已基本采用500 MPa的钢筋.由此可以看到,中国建筑钢筋在应用水平上与世界先进国家还存在有巨大差异.

高强度钢筋生产技术

微合金化钢筋的开发,使得钢筋的生产技术前进了一大步.钒(V)有"黑色魔石"之称,含钒钢具有强度高,韧性、耐磨性、耐腐蚀性好等特点.另外铌(Nb)、钛(Ti)等元素的微量加入也会提高钢筋抗震性能的综合指标.因而在钢中加入微量合金元素钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)等,可以利用固溶强化和第二相强化机制来提高钢材强度.

固溶强化:当向钢中加入能与Fe置换的元素时,由于溶质原子与基体金属原子大小不同,因而使基体的晶格发生畸变,造成一个弹性应力场,它与位错本身的应力场交互作用,增大了位错运动的阻力,从而导致强化.

第二相强化:当向钢中加入强碳化物形成合金元素时,合金元素形成的碳化物颗粒分布于晶界和晶内,当位错经过它们时,阻力增大,从而强化材料.同时,分布于晶界的第二相颗粒,对晶界具有钉扎作用,且能降低晶界处界面能,从而阻碍晶界的运动,对晶粒长大具有抑制作用,因此,利用合金元素的作用也可以细化晶粒.

采用微合金化改善钢筋的综合性能最为有效.在热轧钢筋中掺入微量的钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)作为合金元素,就足以大幅度提高其强度并保持优良的韧性及施工适应性.在微合金化非调质钢中,V在钢中具有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用,在钢中加入微量的V元素,可以获得细晶粒组织,提高钢的强度和抗震性能.Nb有助于保证钢具有高强度和良好的韧性.Ti、V等微合金化元素可以在低碳锰钢的基础上生产出高强度钢筋,同时改善钢筋的韧性、塑性和焊接性.为使钢筋具有耐火性能,添加适量的Cr、Nb等微量元素,同时采用合理的轧制工艺,使之形成铁素体-贝氏体组织,使微合金钢在高温下具有高的屈服强度.也可以添加适量的Mo,Mo在控制奥氏体转变中会产生特殊的效果,使之形成微细的碳化物,利用其固溶强化来提高高温强度(Mo含量过高,会恶化焊接性和焊接热影响区的韧性,故需适量添加).Mo和Nb也将协同作用,通过形成Nb(Mo)(C,N)颗粒提高钢的固溶强化效果.由于Nb也有助于相变过程的控制,因此直接淬火的Mn-Mo-Nb热轧钢筋展现出特别高的屈服强度和良好的韧性.

余热处理钢筋是利用热处理原理进行表面控制冷却,并利用热轧钢筋自身芯部余热完成回火处理所得的成品钢筋.余热处理钢筋一般在轧钢作业线上直接利用轧制余热进行热处理.钢筋从热轧轧机的成品机架轧出后,经冷却装置进行快速表面淬火,然后利用钢筋芯部热量由里向外自回火,并在冷床空冷至室温,被称为"余热处理钢筋"或"穿水钢筋".余热处理钢筋技术能有效发挥钢材的强度潜力,大幅度降低合金元素用量.

细化晶粒是同时提高钢的强度和韧性的有效方法.通过对钢的微观组织的控制大幅度提高钢材的综合性能,是开发钢材潜能、提高钢材利用率的重要途径之一.组织控制最有效的手段就是通过特定的热加工工艺控制钢的变形组织、再结晶过程和相变过程,获得细晶组织.常用的晶粒细化方法有双相区轧制法、形变强化相变法、铁素体动态再结晶法、奥氏体铁素体区循环相变轧制法等.

虽然钢铁材料随着晶粒的变小而在室温下的强度上升且韧性亦同时提高,但是细晶化降低了钢的强屈比,依靠细晶强化的碳素钢钢筋和20MnSi钢钢筋强屈比均降低到1.20以下,而抗震钢筋要求强屈比高于1.25;细晶粒钢筋的另一个问题是焊接过程的高温将导致焊接热影响区晶粒长大,从而使焊接接头出现软化.提高细晶粒钢筋的强屈比、研究细晶粒钢筋的连接技术是今后推广细晶粒钢筋的工作重点.

结束语

随着钢铁生产技术能力的提高,我国建筑用钢生产已经从生产低档次的钢筋,发展到能生产各种高强度建筑钢筋.使用高强度钢筋为老百姓建造抗震性能好、结构安全的房子,就能够最大限度地保护人民的生命和财产安全.

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