抗震钢筋力学特征值对抗震结构的意义

方立新,薛建华，项 钰，张世杰

(1.浙江省建设工程质量检验站有限公司,浙江 杭州 310012;2.杭州市滨江区建筑工程质量安全监督站，浙江 杭州 310051)

1 概 述

中国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一[1],根据国家地震局批准的地震烈度区划分图,全国地震烈度大于等于7度的区域面积占全国总面积32.5%,而在6度以上的地震区约占全国总面积60%[2],而且随着现代建筑设计的超高化和大型化的发展,建筑结构的抗震性能在设计时就显得尤为重要。特别是汶川地震以后,国家对地震多发地区的建筑物、建筑物基础工程、重点工程,高层建筑等工程结构的要求越来越高,建筑物的抗震性能引起国家和社会的普遍关注。而作为钢筋混凝土结构中的最为重要的结构材料,钢筋的性能直接关系到建筑工程的安全,在地震区使用的钢筋不仅要求具备优良的力学性能,也需要良好的抗震性能。

2 钢筋检测及相关规范要求

按照钢铁产业调整和振兴规划,现已淘汰了335MPa级热轧带肋钢筋,HRB400级钢筋是现阶段混凝土框架结构中最常用的钢筋,《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋(GB 1499.2—2007)》[3]规定HRB400钢筋的力学特征值见表1,对有较高要求的抗震结构适用牌号为：在表1中已有牌号后加E(HRB400E、HRBF400E)的钢筋除满足表1要求外,还需同时满足如下要求：

1)钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1.25。

2)钢筋实测屈服强度与表1规定的屈服强度特征值之比不大于1.30。

3)钢筋的最大力总伸长率不小于9%。

表1 普通钢筋力学特征值

另外,《混凝土结构工程施工质量验收规范(GB 50204—2015)》[4]规定：“对有抗震设防要求的结构,其纵向受力钢筋的性能应满足设计要求；当设计无具体要求时,对按一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件(含梯段)中的纵向受力钢筋应满足：①钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；②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；③钢筋的最大力下总伸长率不应小于9%。”

3 抗震钢筋关键指标的意义与作用

抗震建筑钢材的基本技术条件主要应包括：高应变低周疲劳性能要高；应变时效敏感性较低；韧脆转变温度要低；良好的可焊性；强度与塑性配比良好。地震时,在钢筋混凝土开裂处,钢筋承受极大的交变载荷,在水平方向产生很高的循环应变,其断裂过程与高应变低周疲劳行为极为相似。高应变低周疲劳主要是塑性应变,强震时应变范围较大,地震区建筑用钢,必须具有高的高应变低周疲劳性能,这就要求钢有高的强度、塑性与韧性,避免产生脆断,否则，必将导致建筑物的早期破坏[5]。

强屈比：钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度特征值之比不小于1.25。提高钢筋的强屈比,有利于提高钢筋的安全储备,主要是为了保证纵向钢筋具有一定的延性,当构件某个部位出现塑性铰后,塑性铰处有足够的转动能力和耗能能力。当建筑物受到地震破坏发生变形时,钢筋在延伸过程中吸收了能量而不断裂,建筑物的梁柱裂而不断,可有效地减少地震的危害。

以有抗震要求的钢筋混凝土结构为例,屈强比太低则结构为脆性破坏,材料达到屈服强度后迅速进入强化阶段,脆性破坏在建筑工程中严禁发生,因为破坏时结构没有明显的变形产生即破坏,难以预防。受到地震力时,钢材首先达到屈服强度且强度不断发展,结构产生变形,这个变形为肉眼可见,且结构破坏的先兆出现,人们得以提前发现并预防。

超屈比：提高钢筋的抗震性能,主要是考虑提高下屈服强度的稳定性,控制钢筋的超屈比,将屈服强度实测值控制在一定的范围之内,可以使所有受力钢筋都能够比较均匀地承载力量,避免发生钢筋依次逐个断裂现象,起到抗震作用。 另外,根据结构设计理论,控制钢筋的超屈比,目的是保证“强柱弱梁”“强节点、强锚固”“强剪弱弯”的设计要求,在其他条件不变的情况下,构件的正截面承载力与纵向受力钢筋的屈服强度成正比。在抗震设计中为了保证构件在地震中的破坏状态,并不希望实际的屈服强度比设计所采用的强度大得太多；在实际施工中框架梁纵向受力钢筋的屈服强度过高,将会造成框架梁正截面受弯承载力比设计承载力大很多,塑性铰发生转移或者会造成框架梁的剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服,即产生脆性破坏。

最大力总伸长率：钢筋的伸长率测定分为断后伸长率和最大力总伸长率两种。断后伸长率仅能表现断口处的变形程度, 但是包括弹性变形在内的、在发生颈缩之前、整个试样的塑性变形程度则未充分反映出来。当建筑物在地震等灾害中破坏, 钢筋在颈缩之前的伸长情况是有效的延性表现, 出现颈缩之后则其承载力急剧下降, 该阶段的延性对结构的支撑已无意义。而最大力下总伸长率是力值达到最大时的总变形, 发生在钢材变形集中于局部之前,是钢筋的真实延性伸长率指标,能够真正代表钢筋的变形能力[6]。提高最大力总伸长率(Agt),可以提高钢筋的整体变形能力和对地震波的吸收能力。

4 工程实际应用

某中学教学楼工程,混凝土框架结构,二级抗震结构,抗震设防烈度为7度,框架梁柱纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋,当地质监站例行监督抽测HRB400Φ20钢筋一组,检测结果见表2。

表2 HRB400Φ20钢筋力学及工艺性能检测结果

从表2可以看出,该组钢筋各检测项目结果均符合表1中HRB400级钢筋要求,但通过计算该组HRB400Φ20钢筋的强屈比分别为：

625/505=1.24<1.25

620/510=1.22<1.25

该组钢筋强屈比不满足《混凝土结构工程施工质量验收规范(GB 50204—2015)》第5.2.3规定要求,但施工单位以设计图纸中注明的是HRB400而非HRB400E为由拒绝复验。从该事例中可以看出,施工单位在组织生产中除了要严格照图施工,详细组织技术交底外，还需要不断提高质量管理意识,认真学习相关规范标准。

5 结 语

自从2008年汶川地震以来,时至今日已9年有余,在此期间国家推行抗震钢筋的力度从未减弱,建设工程质量水平也在不断提高,但不容置疑的是仍有一些施工单位将抗震钢筋与普通钢筋混为一谈,无视抗震钢筋在地震中发挥的重要作用。笔者在见证取样抽测过程中也时常发现监理单位和建设单位监督不严的现象。避免普通钢筋用于具有抗震要求的部位,首先在材料采购时应在合同中明确提出是否需要抗震性能,材料进场后要按照规范抽样复试,并严格按照要求计算抗震特征值。对于不符合抗震性能的钢筋要单独存放并明确标识,严禁用于有抗震设防要求的结构。