CRH600H高延性冷轧带肋钢筋在结构设计中的应用

发布时间：2017-04-17 15:20

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景和研究意义 
2014 年 6 月，在两院院士大会上习近平总书记曾说过[1]“如果把科技创新比作我国发展的新引擎，那么改革就是点燃这个新引擎必不可少的点火系”。可见改革对于我国实体经济的健康、快速发展，抢占国内外的市场份额和各行业的转型升级至关重要。目前，与船舶业同样面临产能过剩的钢铁行业正在通过改革发展新思路、研发创新调整产业走向、摆脱困局。2015 年由我国安阳市合力高速冷轧有限公司通过自主创新研发的高延性冷轧带肋钢筋盘螺生产技术通过了国家验收并获得了国内外专家的一致好评。其生产的钢筋的抗拉强度达到了 600Mpa，抗震性能比国家标准提高了百分之百以上，并迅速得到了市场的认可，仅我国郑州到徐州段高铁线路就一次性采购了超过 3000 吨的高延性冷轧带肋钢筋。因此，高延性冷轧带肋钢筋在我国将具有广阔的应用价值和发展前景。近年来，随着我国工业化和新型城镇化建设的迅速发展，工程建设中出现了越来越多的新型结构形式，但在工业与民用建筑中钢筋混凝土结构依然是应用最广泛的结构形式。而钢筋作为它的主要构成材料，其行业却面临着产能过剩，行业效益差；产业集中度低，市场不规范；资源消耗多，环保压力大；技术创新滞后，研发能力弱及产品延伸不够等诸多方面的问题。 尽管自 2003 年以来，我国为抑制钢铁行业产能过剩曾多次出台相关文件要求钢铁行业去产能，但是直到 2015 年我国钢铁产量依然呈现上升的趋势。该年全国的钢铁产量相较于 2000 年全国的钢铁产量增加了 6 倍多，达到了到 8 亿多吨。同时，最新的数据结果显示：2015 年我国的钢铁产能累积达到了 12 亿吨，但其中需求却只有 7 亿多吨，即整个钢铁行业的钢铁产能主体运用率只有 67%左右。而按国际的惯例，若是钢铁行业的钢铁产能运用率少于 75%，那么该行业则严重的产能过剩。本年 2 月 4 日，国务院发布的《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》中明确指出钢铁行业要在未来的 5 年内压减 1.4 亿吨的产能，其中仅 2016 年就要完成 4500 万吨的去产能目标任务。但截至到目前为止，国家统计局的最新数据却显示我国 6 月份的钢材产量不降反升，且超过了 1 亿吨，首次突破了单月产量的历史纪录。由此看来，我国去产能的压力依然很大。
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1.2 国内外冷轧带肋钢筋的研发与应用情况 
冷轧带肋钢筋自 1968 年在欧洲研制成功到现在已有近 50 年的历史，其作为焊接网使用也有 40 年左右的历史。由于它具有与混凝土的粘结锚固性能好、加工矫直方便、强度高等优点，使得其迅速在欧洲大多数国家得到了应用，并快速被推广至世界的各个角落。并且，冷轧带肋钢筋多数情况下是以焊接网的形式被应用于钢筋混凝土结构中。自 1987 年冷轧带肋钢筋的生产线首次被引进到我国到现在已有近 30 年的时间。而从 1995 起，国内外在钢筋混凝楼板和屋面板等构件中应用 550MPa 级冷轧带肋钢筋代替 HPB235 钢筋和 HRB335 钢筋作为受力钢筋和构造钢筋开始得到广泛的应用，且其应用范围不断的扩大。如今它作为墙体的分布钢筋和梁、柱的箍筋也得到了一定的应用。在钢筋混凝土结构中应用冷轧带肋钢筋，不仅具有取材及加工方便、便于电阻电焊和强度价格比高等优点，而且还可以节约我国钢材的消耗，进而取得较好的经济效益。 
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第 2 章 高延性冷轧带肋钢筋的物理力学性能 

近年来，随着我国大力推广绿色建筑工作的进一步发展，越来越多的细直径高强钢筋（主要为 5~12mm）被应用于我国钢筋混凝土结构工程中的各类板、墙类构件当中。现阶段，我国自主研发的高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 因其在保证了它高强度性能的同时适当的提高了它的延性，而越来越被广大设计、施工及开发商所认可和采用。如图 2-1 所示，为我国河南安阳生产的二面肋高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 和北京生产的普通三面肋冷轧带肋钢筋 CRB550。 

2.1 强度及伸长率 
钢筋的强度，是结构设计人员在各类结构构件中合理选用钢筋的重要参考依据。钢筋通常有软钢（热轧钢筋）和硬钢（热处理钢筋及高强钢丝）之分，对于有明显流幅的软钢，常取它的屈服强度作为其设计强度，而对于没有明显流幅或屈服点的硬钢，则取它的应力应变曲线上对应于残余应变为 0.2%所对应的应力值作为它的设计强度。后者相较于前者强度高，但延性较差。表 2-2 给出了我国钢筋混凝土用冷轧带肋钢筋的直径规格和强度标准值 fyk（由抗拉屈服强度表示，且应具有不小于 95%的保证率）。钢筋的强度标准值除以钢筋的材料分项系数（冷轧带肋钢筋材料分项系数取 1.25）并适当取整，则可得到通常结构设计中承载力计算时所用钢筋的强度设计值，如表 2-3 所示。我国的高延性冷轧带肋钢筋按其强度大小可分为 CRB600H、CRB650H 和CRB800H，其中 CRB600H 高延性冷轧带肋钢筋宜作为钢筋混凝土板类构件中的受力钢筋和分布钢筋、钢筋混凝土墙类构件中的钢筋焊接网、钢筋混凝土梁和框架柱中的箍筋和构造钢筋使用。但由于它最大拉力下的总伸长率 δgt≤9%无法满足《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 第 11.2.3 条中在抗震设计下对纵向受力钢筋最大拉力下的总伸长率实测值 δgt≥9%的要求，故不应将其用作为有抗震设防要求的梁、柱纵向受力钢筋使用。而高延性冷轧带肋钢筋 CRB650H 和 CRB800H 则宜作为预应力混凝土构件中的预应力钢筋使用。  
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2.2 粘结锚固性能 

混凝土与钢筋的粘结作用是钢筋和混凝土能够形成统一整体、共同受力工作的基础，，主要是指钢筋与周围混凝土之间的相互作用，通常包含沿钢筋长度的粘结作用（主要由胶结力、摩阻力及机械咬合力组成）和对钢筋端部的锚固作用两种情况。钢筋的锚固主要是为了使钢筋能够积累足够的粘结力以承受它所需的拉力进而避免钢筋发生锚固破坏而通常采用的一种技术手段，常包括在钢筋端部加弯钩或弯折的弯钩锚固措施和在锚固区贴焊短钢筋或角钢筋的机械锚固措施。 受力钢筋和混凝土之间可靠的粘结作用，不仅保证了钢筋与混凝土两者能够协调变形，相互传力，共同工作形成统一整体，而且对材料的受力性能（混凝土高抗压性能和钢筋高抗拉性能）的充分发挥和避免结构构件发生锚固破坏也起到了至关重要的作用。但通常情况下钢筋混凝土结构的某些部位或结构构件在荷载作用下其内部的钢筋往往会相对于混凝土产生相对滑移，引起结构构件的开裂或结构节点处的转角位移相对过大，进而影响结构的正常使用，严重情况下还会降低结构的承载能力，使结构破坏造成安全事故。因此有必要进一步研究高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 的锚固性能，从而为高延性冷轧带肋钢筋CRB600H 在工程中更为广泛应用提供可靠的理论基础。 按照《冷轧带肋钢筋混凝土结构技术规程》JGJ 95-2011 的第 6.1.3 条中的规定[13]在对钢筋混凝土结构的各类结构构件进行承载力计算时，若要使结构构件中的纵向受力钢筋的强度得以充分发挥，则构件中钢筋的锚固长度 la应取 200mm 和表2-5 规定的数值两者中的较大值。 

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第 3 章  高延性冷轧带肋钢筋的设计依据 ........ 18     
3.1 相关设计标准及规范规定 ............ 18       
3.1.1 箍筋 ...... 18       
3.1.2 板 ........ 19       
3.1.3 墙 ........ 27     
3.2 相关设计和算量软件 ...... 28       
3.2.1 PKPM 2010 版 V3.1 功能简介 ........ 28       
3.2.2 广厦概预算系统功能简介 ........ 29 
第 4 章  不同结构体系中应用 CRB600H 高强钢筋用量比较分析 ............ 31     
4.1 CRB600H 高强钢筋在各类构件中的用量分析和应用建议 ........ 31   
4.2 CRB600H 高强钢筋在不同结构体系中应用的经济性分析 ........ 34 
第 5 章  工程实例分析 .... 36    
5.1 高层建筑结构设计中的关键控制指标 ............ 36    
5.2 框架结构实例分析........ 40
5.3 剪力墙结构实例分析 .......... 43 
5.4 框架-剪力墙结构实例分析 ............ 47
5.5 框架-核心筒结构实例分析 ............ 51 
5.6 小结 .... 56 

第五章 工程实例分析 

由于当前我国结构设计人员进行高层建筑结构设计通常都是依靠相关结构计算软件（如 PKPM）去做设计，故而对于结构工程师而言具有能够根据自身所掌握的力学知识、设计理论和积累的工程经验对结构计算软件的输出结果（如SATWE 输出结果）做出准确的判断与分析，并能够找出结构计算软件输出结果中不合理的地方加以改正的能力就显得尤为必要和重要。也只有具备了这样的能力才能成为一名合格的结构工程师，才能做出好的结构设计。 因此，我们在针对采用 CRB600H 高延性冷轧带肋钢筋和 HRB400 级钢筋作为受力钢筋（及分布钢筋）的现浇混凝土楼板的钢筋用量进行对比与分析之前应当首先对高层建筑结构设计中的关键控制指标作简要的探讨与分析，从而确保所建工程实例模型的合理性及对结构所作分析的准确性。

5.1 高层建筑结构设计中的关键控制指标
通常做好高层建筑结构设计的关键在于能够合理妥善布置结构各部位中的竖向承重构件（主要包括框架柱和剪力墙）和水平抗侧力构件（主要包括框架梁和连梁）。其在结构设计中的关键控制指标主要包括：柱（墙）轴压比、水平地震剪力系数、楼层侧向刚度比、水平位移和层间位移比、扭转周期 Tt与平动周期 T1之比、层间受剪承载力之比、结构侧向刚度与重力荷载设计值之比。柱（墙）的轴压比（μ）通常由计算公式 μ=N/(A·fc)计算得到（公式中 N 代表柱、墙的轴向压力设计值；A 代表柱、墙的全截面积；fc代表柱、墙的混凝土的轴心抗压强度设计值)，是框架柱和抗震墙在地震作用下的塑性变形性能的重要影响因素。故结构抗震设计中对柱（墙）的轴压比进行限定多数情况是为了保证在地震作用下框架柱和抗震墙的塑性变形能力，进而保证结构构件的延性要求确保结构安全可靠。其具体要求详见我国《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010的第 6.4.2 条及 7.2.13 条和我国《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 第 6.3.6 条及6.4.2 条的相关规定及它们相应的条文说明解释。 
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结论 

本文针对在框架结构、框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构中应用高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 作为各类建筑结构构件中的纵向受力钢筋和构造钢筋的可行性和经济性进行了分析。研究结论如下： 1.  CRB600H 高强钢筋可以用作现浇混凝土楼板、基础板的受力和构造钢筋，剪力墙底部加强部位以上的墙体分布钢筋和梁中的箍筋（其抗拉强度设计值 fyv通长取 360MPa）或架立筋及跨度较小的梁中的纵向受力钢筋。 2.对于不同类型的结构构件，当采用采用 CRB600H 高延性冷轧带肋钢筋代替目前常用的 HRB400 级钢筋作为受力钢筋和分布钢筋时，其节材效果各不相同。板类构件节材效果相对较好，墙类构件和梁类构件节材效果则较差。 3.当应用高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 代替目前工程上常用的 HRB400 级钢筋作为各类结构体系中的混凝土现浇楼板的纵向受力钢筋和分布钢筋时，对于作为上部结构嵌固部位的地下室顶板的钢筋用量基本相同，无法节约钢筋；对于各相同标准层楼板的钢筋用量节约率基本相同，可有效节约钢筋；对于屋面楼板的钢筋用量节约率则相较于各标准层钢筋用量节约率较高。 4.当应用高延性冷轧带肋钢筋 CRB600H 代替目前工程上常用的 HRB400 级钢筋作为各类建筑结构体系中混凝土现浇楼板的纵向受力钢筋和分布钢筋时，对于不同类型的建筑结构体系、不同结构高度的建筑，其楼板钢筋用量的总节约率各不相同。框剪-剪力墙结构最高，其次框架-核心筒结构，再次剪力墙结构，框架结构最低。 
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参考文献(略)

本文编号：313568