第二章高强混凝土和中高强钢筋在桥梁结构中的应用

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）学习与应用讲评张树仁哈尔滨工业大学二零零四年新颁布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004（以下简称桥规JTGD62）和混凝土结构设计规范GB50010-2002（以下简称建混规GB50010）在混凝土和钢筋材料选择上有较大变化：适当提高了混凝土强度等级，将C50~C80高强混凝土列入规范；建混规GB50010明确提出，在钢筋混凝土结构中推荐采用HRB400钢筋（新Ⅲ级钢）做为主导钢筋，HRB335（原Ⅱ级钢）做为辅助钢筋；在预应力混凝土结构中推荐采用高强度钢绞线做为主导钢筋。这些重大措施，对提高我国混凝土结构的质量，提高经济效益，将产生重大影响。第二章高强混凝土和中高强钢筋在桥梁结构中的应用长期以来，我国土木和建筑工程采用的混凝土强度偏低，因此不得不加大构件的截面尺寸，肥梁、胖柱、深基、厚墙就在所难免。结构自重加大，降低了结构的有效承载力，同时增加了材料运输、加工、吊装、施工中的各种费用。因此，尽管我国传统的混凝土结构安全度总体上比国外低，但建造结构的材料一点也不比国外少，费用也不见得节省。国际上，特别是发达国家，建筑结构较高的安全度是靠高强度材料来实现的。所以，要加大我国建筑结构的安全度并提高混凝土结构的技术水平，改变我国传统混凝土强度等级偏低的状况，就成为十分现实而紧迫的事情。20世纪90年代以来，由于技术进步和经营方式的变化，我国结构混凝土强度偏低的状况有了很大的变化。首先是混凝土的成分不再局限于传统的水泥、砂、石和水，外加剂（如减水剂）和掺合料（如粉煤灰）的普遍采用，已成为一、适当提高混凝土的强度等级是结构工程的重大技术进步混凝土材料不可缺少的新的组成部分。其次混凝土的生产不再局限于施工单位自行拌制，取而代之以市场化经营的高品质混凝土。这对保证混凝土质量，提高混凝土强度创造了条件。目前，一般工程采用C30以上混凝土已很普遍；使用C40~C50混凝土也已无困难；C60甚C80的高强混凝土的应用已经开始。提高混凝土强度等级带来的直接效益是可以减小结构截面尺寸，减轻结构自重，提高结构承受外荷的承载力，特别是对于承受轴向压力为主的构件，效果更为明显。在混凝土结构中，混凝土材料的用量取决于其强度设计值。强度等级高的混凝土价格当然较高，但其强度设计值也高，因此可以减少材料用量。决定混凝土经济性是其强度价格比，即每元钱可以购买到的单位体积（m3）强度设计值（MPa）。以1998年北京建筑市场商品混凝土的价格为例，不同强度等级混凝土的强度价格比列于表1。混凝土强度等级（Mpa）C20C25C30C40C50强度价格比（m3Mpa/元）0.03560.03970.04400.05460.0608表1混凝土强度价格比由表1可以看出，随着混凝土强度等级的提高，强度价格比迅速增长，上下相差达1.7倍。因此，在结构中采用强度等级较高的混凝土，特别是对墩、柱等受压为主的构件及预应力混凝土构件具有显著的经济效益。此外，适当地提高混凝土的强度等级是提高混凝土结构耐久性的需要。在耐久性设计中，对混凝土强度等级的要求是由于其与混凝土的密实性有关，强度等级高的混凝土其密实性好，耐久性好。从混凝土结构耐久性要求，桥规JTGD62规定，最低混凝土强度等级为：I类环境（非寒冷或寒冷地区的大气环境；与无侵蚀性的水或土接触的环境）为C25；Ⅱ类环境（严寒地区的大气环境与无侵蚀性的水或土接触的环境；使用除冰盐环境；滨海环境）为C30；Ⅲ类环境（海水环境）C35；Ⅳ类环境（受人为或自然侵蚀性物质影响的环境）C35。新颁布的中国土木工程学会标准混凝土结构耐久性设计与施工指南CCES01-2004，按不同的环境作用等级和设计使用年限级别，规定最低混凝土强度等级应符合表2的要求。环境作用等级设计使用年限等级一100年二50年三30年对配筋结构的侵蚀程度A可忽略C30C25C25B轻度C35C30C30C中度C40C35C35D严重C40C40C40E非常严重C45C40C40F极端严重C50C45C40表2桥梁结构处于露天环境，非寒冷地区环境作用等级一般取B级；寒冷及严寒地区一般取B级或C级；除冰盐冻融环境取D级或E级；近海或海洋环境一般取D、E或F级。笔者建议：改变传统的设计习惯，适当提高设计时选取用的混凝土强度等级：对钢筋混凝土受弯构件采用C30~C35；钢筋混凝土受压构件采用C30~C40；预应力混凝土构件采用C40~C60。采用C50以上高强混凝土应参照高强度混凝土结构技术规程CECS104：1999执行。长期以来，我国钢筋混凝土结构的主导钢筋是强度为335Mpa的Ⅱ级钢筋，强度为235Mpa的I级钢筋大量用作辅助配筋，比国外低了一个强度等级。低强度带来的配筋率增加，不仅经济效益降低，还造成配筋密集难以设计、施工困难；加之运输、加工、现场绑扎等工作量的增加，已成为混凝土结构应用中的一个不利因素。预应力混凝土结构，特别中小型的房建预制构件，大量采用冷加工（冷拉、冷拔、冷轧）钢筋。这类钢筋利用低碳钢的冷加工强化，以大幅度牺牲延性为代价获得强度的提高，是我国处于短型经济条件下，由于物资匮乏搞“瓜菜代”的产物。冷加工钢筋用作预应力配筋，由于钢筋的延性差，易于发脆性破坏。新修订的《建混规GB50010》基于混凝土结构对钢筋性能的要求，分析了我国钢筋应用中的问题，参考了国际上用钢的趋势，以及我国冶金工业所能提供的产品，二、中、高强钢筋的应用提出选用钢筋的原则是：钢筋混凝土结构以HRB400热轧带肋钢筋（新Ⅲ级钢筋）为主导钢筋，以HRB335热轧带肋钢筋（原Ⅱ级钢筋）为辅助钢筋；预应力混凝土结构以高强、低松弛钢丝，钢绞线为主导钢筋。各种形式的冷加工钢筋应整顿市场、加强管理，保证质量，提高性能，通过市场竞争优化或淘汰。新修订的规范不再列入，但并不等于禁止使用。20世纪90年代以来，我国冶金部门引进国外的技术和设备，开始按国际标准的要求生产新型钢筋，同时为满足建筑市场的需求，调整了产品结构。首先，利用我国的钒（V）资源优势，对热轧钢筋微合金化而生产出质高价低的HRB400热轧钢筋（新Ⅲ级钢筋），其强度较HRB335钢筋（原Ⅱ级钢筋）提高了20%，且具有较高的延性和锚固性能及可焊性，品种规格也比较齐全，其强度价格比为HRB335钢筋（原Ⅱ级钢）的1.12倍。使用HRB400钢筋可以降低配筋率，减少施工工作量，应大力推广。其次，用于预应力混凝土结构的中、高强度低松弛钢丝、钢绞线也增加了许多新品种；性能优良的螺旋肋钢丝逐渐取代刻痕钢丝；二股、三股钢绞线使高效预应力构件小型化成为可能，强度等级也基本齐全，最高可达1860Mpa，甚至更高。目前我国中、高强钢丝、钢绞线的生产能力已超过100万吨，完全有条件实现向高效预应力结构构件转化。但是，所有这些质优价低的新钢筋品种推广速度太迟缓。特别是HRB400钢筋（新Ⅲ级钢），早在20世纪80年代已完成了产品研制及应用研究，20世纪90年代已经鉴定，但至今仍未能普遍推广，在桥梁结构中很少有人采用。究其原因除了设计人员受传统设计习惯的影响外，还与陈旧设计规范和所谓“标准图”设计的约束有直接的关系。在向市场经济转轨，特别是我国加入WTO以后，设计管理体制如何适应技术进步是值得我们深思的问题。新修订的桥规JTGD62虽然没有明确提出钢筋混凝土结构以HRB400为主导钢筋的设计思想，但已将其作为钢筋混凝土结构主要用钢之一列入规范。我们相信，随着科研和工程实践的进展，HRB400钢筋在桥梁工程中的应用，必然会有更大的发展。