抗震鋼筋力學(xué)特征值對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的意義

方立新,薛建華，項(xiàng) 鈺，張世杰

(1.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司,浙江 杭州 310012;2.杭州市濱江區(qū)建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 杭州 310051)

1 概 述

中國(guó)是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1],根據(jù)國(guó)家地震局批準(zhǔn)的地震烈度區(qū)劃分圖,全國(guó)地震烈度大于等于7度的區(qū)域面積占全國(guó)總面積32.5%,而在6度以上的地震區(qū)約占全國(guó)總面積60%[2],而且隨著現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的超高化和大型化的發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能在設(shè)計(jì)時(shí)就顯得尤為重要。特別是汶川地震以后,國(guó)家對(duì)地震多發(fā)地區(qū)的建筑物、建筑物基礎(chǔ)工程、重點(diǎn)工程,高層建筑等工程結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高,建筑物的抗震性能引起國(guó)家和社會(huì)的普遍關(guān)注。而作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的最為重要的結(jié)構(gòu)材料,鋼筋的性能直接關(guān)系到建筑工程的安全,在地震區(qū)使用的鋼筋不僅要求具備優(yōu)良的力學(xué)性能,也需要良好的抗震性能。

2 鋼筋檢測(cè)及相關(guān)規(guī)范要求

按照鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃,現(xiàn)已淘汰了335MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋,HRB400級(jí)鋼筋是現(xiàn)階段混凝土框架結(jié)構(gòu)中最常用的鋼筋,《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋(GB 1499.2—2007)》[3]規(guī)定HRB400鋼筋的力學(xué)特征值見(jiàn)表1,對(duì)有較高要求的抗震結(jié)構(gòu)適用牌號(hào)為：在表1中已有牌號(hào)后加E(HRB400E、HRBF400E)的鋼筋除滿足表1要求外,還需同時(shí)滿足如下要求：

1)鋼筋實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度與實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度之比不小于1.25。

2)鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度與表1規(guī)定的屈服強(qiáng)度特征值之比不大于1.30。

3)鋼筋的最大力總伸長(zhǎng)率不小于9%。

表1 普通鋼筋力學(xué)特征值

另外,《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50204—2015)》[4]規(guī)定：“對(duì)有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu),其縱向受力鋼筋的性能應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)具體要求時(shí),對(duì)按一、二、三級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的框架和斜撐構(gòu)件(含梯段)中的縱向受力鋼筋應(yīng)滿足：①鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)小于1.25；②鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.30；③鋼筋的最大力下總伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于9%。”

3 抗震鋼筋關(guān)鍵指標(biāo)的意義與作用

抗震建筑鋼材的基本技術(shù)條件主要應(yīng)包括：高應(yīng)變低周疲勞性能要高；應(yīng)變時(shí)效敏感性較低；韌脆轉(zhuǎn)變溫度要低；良好的可焊性；強(qiáng)度與塑性配比良好。地震時(shí),在鋼筋混凝土開裂處,鋼筋承受極大的交變載荷,在水平方向產(chǎn)生很高的循環(huán)應(yīng)變,其斷裂過(guò)程與高應(yīng)變低周疲勞行為極為相似。高應(yīng)變低周疲勞主要是塑性應(yīng)變,強(qiáng)震時(shí)應(yīng)變范圍較大,地震區(qū)建筑用鋼,必須具有高的高應(yīng)變低周疲勞性能,這就要求鋼有高的強(qiáng)度、塑性與韌性,避免產(chǎn)生脆斷,否則，必將導(dǎo)致建筑物的早期破壞[5]。

強(qiáng)屈比：鋼筋實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度與實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度特征值之比不小于1.25。提高鋼筋的強(qiáng)屈比,有利于提高鋼筋的安全儲(chǔ)備,主要是為了保證縱向鋼筋具有一定的延性,當(dāng)構(gòu)件某個(gè)部位出現(xiàn)塑性鉸后,塑性鉸處有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力。當(dāng)建筑物受到地震破壞發(fā)生變形時(shí),鋼筋在延伸過(guò)程中吸收了能量而不斷裂,建筑物的梁柱裂而不斷,可有效地減少地震的危害。

以有抗震要求的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例,屈強(qiáng)比太低則結(jié)構(gòu)為脆性破壞,材料達(dá)到屈服強(qiáng)度后迅速進(jìn)入強(qiáng)化階段,脆性破壞在建筑工程中嚴(yán)禁發(fā)生,因?yàn)槠茐臅r(shí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的變形產(chǎn)生即破壞,難以預(yù)防。受到地震力時(shí),鋼材首先達(dá)到屈服強(qiáng)度且強(qiáng)度不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,這個(gè)變形為肉眼可見(jiàn),且結(jié)構(gòu)破壞的先兆出現(xiàn),人們得以提前發(fā)現(xiàn)并預(yù)防。

超屈比：提高鋼筋的抗震性能,主要是考慮提高下屈服強(qiáng)度的穩(wěn)定性,控制鋼筋的超屈比,將屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值控制在一定的范圍之內(nèi),可以使所有受力鋼筋都能夠比較均勻地承載力量,避免發(fā)生鋼筋依次逐個(gè)斷裂現(xiàn)象,起到抗震作用。 另外,根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,控制鋼筋的超屈比,目的是保證“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)要求,在其他條件不變的情況下,構(gòu)件的正截面承載力與縱向受力鋼筋的屈服強(qiáng)度成正比。在抗震設(shè)計(jì)中為了保證構(gòu)件在地震中的破壞狀態(tài),并不希望實(shí)際的屈服強(qiáng)度比設(shè)計(jì)所采用的強(qiáng)度大得太多；在實(shí)際施工中框架梁縱向受力鋼筋的屈服強(qiáng)度過(guò)高,將會(huì)造成框架梁正截面受彎承載力比設(shè)計(jì)承載力大很多,塑性鉸發(fā)生轉(zhuǎn)移或者會(huì)造成框架梁的剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服,即產(chǎn)生脆性破壞。

最大力總伸長(zhǎng)率：鋼筋的伸長(zhǎng)率測(cè)定分為斷后伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率兩種。斷后伸長(zhǎng)率僅能表現(xiàn)斷口處的變形程度, 但是包括彈性變形在內(nèi)的、在發(fā)生頸縮之前、整個(gè)試樣的塑性變形程度則未充分反映出來(lái)。當(dāng)建筑物在地震等災(zāi)害中破壞, 鋼筋在頸縮之前的伸長(zhǎng)情況是有效的延性表現(xiàn), 出現(xiàn)頸縮之后則其承載力急劇下降, 該階段的延性對(duì)結(jié)構(gòu)的支撐已無(wú)意義。而最大力下總伸長(zhǎng)率是力值達(dá)到最大時(shí)的總變形, 發(fā)生在鋼材變形集中于局部之前,是鋼筋的真實(shí)延性伸長(zhǎng)率指標(biāo),能夠真正代表鋼筋的變形能力[6]。提高最大力總伸長(zhǎng)率(Agt),可以提高鋼筋的整體變形能力和對(duì)地震波的吸收能力。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

某中學(xué)教學(xué)樓工程,混凝土框架結(jié)構(gòu),二級(jí)抗震結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度為7度,框架梁柱縱向受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋,當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)站例行監(jiān)督抽測(cè)HRB400Φ20鋼筋一組,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 HRB400Φ20鋼筋力學(xué)及工藝性能檢測(cè)結(jié)果

從表2可以看出,該組鋼筋各檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果均符合表1中HRB400級(jí)鋼筋要求,但通過(guò)計(jì)算該組HRB400Φ20鋼筋的強(qiáng)屈比分別為：

625/505=1.24<1.25

620/510=1.22<1.25

該組鋼筋強(qiáng)屈比不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50204—2015)》第5.2.3規(guī)定要求,但施工單位以設(shè)計(jì)圖紙中注明的是HRB400而非HRB400E為由拒絕復(fù)驗(yàn)。從該事例中可以看出,施工單位在組織生產(chǎn)中除了要嚴(yán)格照?qǐng)D施工,詳細(xì)組織技術(shù)交底外，還需要不斷提高質(zhì)量管理意識(shí),認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

自從2008年汶川地震以來(lái),時(shí)至今日已9年有余,在此期間國(guó)家推行抗震鋼筋的力度從未減弱,建設(shè)工程質(zhì)量水平也在不斷提高,但不容置疑的是仍有一些施工單位將抗震鋼筋與普通鋼筋混為一談,無(wú)視抗震鋼筋在地震中發(fā)揮的重要作用。筆者在見(jiàn)證取樣抽測(cè)過(guò)程中也時(shí)常發(fā)現(xiàn)監(jiān)理單位和建設(shè)單位監(jiān)督不嚴(yán)的現(xiàn)象。避免普通鋼筋用于具有抗震要求的部位,首先在材料采購(gòu)時(shí)應(yīng)在合同中明確提出是否需要抗震性能,材料進(jìn)場(chǎng)后要按照規(guī)范抽樣復(fù)試,并嚴(yán)格按照要求計(jì)算抗震特征值。對(duì)于不符合抗震性能的鋼筋要單獨(dú)存放并明確標(biāo)識(shí),嚴(yán)禁用于有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)。