中國和美國的建築用鋼筋有何不同？
作者丨高迪、林常青
1、概述
我國正處於工業化和城鎮化快速發展時期，建築業發展迅猛，對建築用鋼筋的性能、質量也提出了更高的要求，因此應加快建築用鋼筋品種優化與更新換代。同時，隨著我國與國際接軌的步伐加快，我國的建築用鋼筋不僅要滿足國內建設市場的需要，而且要積極加入國際市場的競爭，滿足國際市場的需要。美國建築用鋼筋標準規範體系完善並有超前意識，鋼筋級別設置合理，鋼鐵行業市場成熟，整體裝備水平高，產品系列穩定齊全，行業內設計、生產、管理等部門在鋼筋應用技術、認識和操作上都有較高水平，值得我國借鑒。
2、中美建築鋼筋及應用的有關標準
2. 1 美國的主要標準
美國建築用鋼筋產品標準方面，主要有混凝土配筋用碳鋼帶肋鋼筋與光圓鋼筋標準ASTM A615 和混凝土配筋用低合金帶肋鋼筋與光圓鋼筋標準ASTM A706 兩本，由美國材料與試驗協會( American Society for Testingand Materials，ASTM) 制定。在鋼筋應用方面，主要是由美國混凝土學會( American Concrete Institute，ACI) 制訂的鋼筋混凝土房屋建築規範ACI 318。
2. 1. 1 ASTM A615 簡介
ASTM A615 於1911 年頒布實施，最初鋼筋等級劃分為33 級、40 級和50 級，最小屈服強度為33ksi、40ksi和50ksi ( 英制公制強度單位對應見表1) 。發展到今天，33 級和50 級已經被淘汰，加入了60、75 和80 級鋼筋。最新版ASTM A615 － 2012 包含四個等級的鋼筋: 40級、60 級、75 級和80 級。
表1 美國鋼筋等級強度單位英制公制對應表
1968 年，ASTM A615 首次納入60 級和75 級鋼筋。75 級鋼筋的發展有一些曲折，在1974 年因屈服強度定義與1971 年版美國鋼筋混凝土房屋建築規範ACI318衝突而被刪除，經過協調一致後，1987 年又被重新納入。2009 年，ASTM A615 納入80 級鋼筋。儘管ASTM A615 已經加入80 級鋼筋，但75 級鋼筋還會保留一段時間，以滿足一些用戶需要，如用於採礦業的頂錨。
2. 1. 2 ASTM A706 簡介
1974 年，ASTM A706 頒布實施。在2009 年之前，標準只針對60 級鋼筋。2006 年，關於增加80 級鋼筋的最初修改草案提交到ASTM 分委員會A01. 05 工作組，討論後發現最主要的問題是該種鋼筋有沒有成為商品的可能性。於是，位於加州、俄勒岡州、華盛頓州和南卡羅萊納州的四家供應商自願進行了試生產和測試。測試結果證明產品在抗拉性能和化學組分上均能滿足要求。2009 年標準通過修訂，納入了80 級鋼筋。對於此次修訂，地震區的結構工程師、鋼筋供應商和製造商、施工企業等都是非常支持的，因為更高強度鋼筋可減少配筋密集度，增加可建造性，尤其對於抗震結構。現行版本為ASTM A706 － 2009b，包括60 級和80 級兩種鋼筋。低合金鋼筋在強度、延性、質量上都比碳鋼鋼筋更加優良。因此可以廣泛應用於地震地區。ASTMA706 規定60 級、80 級帶肋鋼筋的均勻伸長率按不同直徑分別為10% ～ 14% 和10% ～ 12%，均高於ASTMA615 中8% 和7% 的同類要求。ASTM A706 還對鋼筋的屈服強度上限作出明確規定，而ASTM A615中則沒有。值得注意的是，ASTM A706 中還指出80級鋼筋的性能指標可能與現行其他設計規範的規定不一致。
2. 1. 3 ACI 318 簡介
ACI 第一部房屋建築規範誕生於1910 年，但第一版以ACI 318 命名的房屋建築規範發佈於1941 年，1999年之前基本上每六、七年修訂一次，1999 年後至今每三年修訂一次。現行版本為ACI 318 － 2011，在光圓和帶肋碳鋼鋼筋、帶肋低合金鋼筋標準上直接引用現行ASTM A615 和ASTM A706 。
規範規定在普通鋼筋混凝土結構中， 40 級和60 級帶肋鋼筋是主要材料，也可以使用75 級和80 級鋼筋，但對光圓鋼筋的應用有嚴格的限制。對於地震區建築，推薦使用60 級低合金帶肋鋼筋和滿足抗震性要求的40級、60 級碳鋼鋼筋。ACI 318 對於75 級鋼筋的應用可以追溯到1951 年版規範，儘管在其中未明確提出75 級鋼筋，但實際上允許在豎向柱的配筋中使用屈服強度最高達75 ksi 的鋼筋。
美國對於高強鋼筋的應用是頗為慎重的，75 級和80 級鋼筋在結構中的應用目前在ACI318 規範中均有很多限制。就ACI 318 － 11 來說，雖然規範第9. 4 條規定了除預應力筋和橫向約束配筋外( 可達100 ksi) ，鋼筋屈服強度設計值( fy) 和橫向鋼筋屈服強度設計值( fyt) 的計算值均不應超過80 ksi( 2005 年版之前規定橫向約束配筋也不能超過80 ksi) ，但規範中許多條文仍然把fy和fyt 限制在不超過60 ksi，實際上也就是限制了75 級和80 級鋼筋的應用，比如:
( 1) 11. 4. 2 條關於抗剪配筋( 箍筋) fy 和fyt 的規定( 對於焊接的帶肋鋼筋可以達到80 ksi，ACI 318 － 95 將其從60 ksi 提高到了80 ksi) ，其目的是對斜裂縫寬度的控制;
( 2) 11. 5. 3. 4 條關於抗扭配筋fy 和fyt 的規定，其目的是對斜裂縫寬度的控制;
( 3) 11. 6. 6 條關於摩擦抗剪配筋的規定;
( 4) 18. 9. 3. 2 條關於預應力混凝土單元構件粘結配筋fy 的規定，目的是保證混凝土不開裂;
( 5) 19. 3. 2 條關於殼體和折板非預應力鋼筋fy 的規定;
( 6) 21. 1. 5. 2 條關於抗震特殊框架和特殊構造牆配筋fy 的規定，目的是防止脆性破壞。
從美國應用情況看，由於75 級和80 級鋼筋的延性低，ACI 318 規範對於這兩個強度等級鋼筋的規定很謹慎。另外，規範要求鋼筋連接技術和連接成本也需在設計時仔細確認。
2. 2 中國的主要標準
我國在建築鋼筋產品方面現行的國家標準主要有《鋼筋混凝土用鋼第1 部分: 熱軋光圓鋼筋》GB1499. 1－ 2008 和《鋼筋混凝土用鋼第2 部分: 熱軋帶肋鋼筋》GB1499. 2 － 2007; 在混凝土結構鋼筋應用方面現行的國家標準主要有《混凝土結構設計規範》GB50010 － 2010和《建築抗震設計規範》GB50011 － 2010 等。
2. 2. 1 《鋼筋混凝土用鋼第1 部分: 熱軋光圓鋼筋》GB1499. 1 － 2008
該標準為GB1499 的第1 部分，自2008 年9 月1 日實施，代替了GB /T701 － 1997《低碳鋼熱軋圓盤條》中建築用盤條部分和GB13013 － 1991《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》。與GB13013 － 1991 相比，主要變化有: 增加特徵值定義; 增加300 強度級別; 增加產品規格和訂貨內容; 修改並統一鋼筋牌號。
熱軋光圓鋼筋包括HPB235 和HPB300 兩種牌號，強度等級分別為235 MPa 和300 MPa。與ASTM615 類似，該標準中對鋼筋的化學成分含量，外觀、重量、尺寸偏差，力學和加工性能，檢驗試驗等都做了明確規定。
按照住房和城鄉建設部、工業和信息化部《關於加快應用高強鋼筋的指導意見》( 建標［2012］1 號) ，修訂該標準時，將取消HPB235，僅保留HPB300。
2. 2. 2 《鋼筋混凝土用鋼第2 部分: 熱軋帶肋鋼筋》GB1499. 2 － 2007
該標準為GB1499 的第2 部分，自2008 年3 月1 日實施，代替了GB1499 － 1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》。與GB1499 － 1998 相比，主要變化有: 增加細晶粒熱軋鋼筋; 增加細晶粒熱軋鋼筋HＲBF335、HＲBF400、HＲBF500 三個牌號; 增加普通熱軋鋼筋、細晶粒熱軋鋼筋、特徵值三條定義; 增加訂貨內容; 增加疲勞性能、焊接性能、晶粒度三項技術要求; 對「表面質量」、「重量偏差的測量」等條款作修改; 修改鋼筋牌號標誌及附錄等。
熱軋帶肋鋼筋包括普通熱軋鋼筋HＲB335、HＲB400、HＲB500 和細晶粒熱軋鋼筋HＲBF335、HＲBF400、HＲBF500 六種牌號，強度等級分別為335MPa、400 MPa、500 MPa。對有較高要求的抗震結構鋼筋適用牌號後加「E」，並規定了實測抗拉強度與實測屈服強度之比、鋼筋實測屈服強度與屈服強度特徵值之比以及最大伸長率。對於其他要求，如鋼筋的化學成分含量，外形、重量、尺寸偏差，力學和工藝性能，檢驗試驗等，標準也都做了明確規定。
2. 2. 3 《混凝土結構設計規範》GB50010 － 2010
該規範自2011 年7 月1 日實施，在縱向受力普通鋼筋、箍筋選用中增加了500 MPa 級帶肋鋼筋，以300 MPa級光圓鋼筋取代了235 MPa 級鋼筋並調整了鋼筋錨固長度。對有抗震要求的鋼筋，在實測抗拉強度與實測屈服強度之比、鋼筋實測屈服強度與屈服強度特徵值之比以及最大伸長率方面，與GB1499. 2 － 2007 有相同規定。
我國混凝土結構設計規範的編製依據主要是上世紀七、八十年代進行的大量基礎性科研，當時的試驗用鋼筋強度均為335 MPa 以下。雖然歷經2002 版、2010版兩次修訂，分別將400 MPa、500 MPa 鋼筋納入設計規範，但未從根本上改變相關規範的技術體系，結構構件抗震綜合評價等關鍵問題仍未完全解決，從而也造成目前我國的設計規範使用的鋼筋強度等級最高是400 MPa，而針對500 MPa 級鋼筋的具體應用技術措施還不完備。
3 、中、美兩國建築鋼筋標準及應用情況比較分析
3. 1 強度等級
在美國鋼筋產品標準中，其強度等級序列為40 級( 280 MPa) 、60 級( 420 MPa) 、75 級( 520 MPa) 和80 級( 550 MPa) ，對應的是保證率為99. 9% 的鋼筋屈服強度特徵值。我國鋼筋產品標準強度等級序列包括235 MPa( 光圓) 、300 MPa( 光圓) 、335 MPa( 帶肋) 、400 MPa( 帶肋) 和500 MPa( 帶肋) ，對應的是保證率為95% 的鋼筋屈服強度特徵值。其中300 MPa、400 MPa 和500 MPa級分別與美國40 級、60 級和75 級對應，兩國的等級設置基本一致， 235 MPa 級對應的30 級鋼筋在美國已經淘汰，另外我國600 MPa 級鋼筋應用也正在進行研究。
3. 2 鋼筋應用
我國混凝土結構設計規範GB50010 － 2010 允許使用300 MPa、335 MPa、400 MPa 和500 MPa 級鋼筋，其中包括了光圓鋼筋; 推薦受力配筋以400 MPa 為主。美國ACI 318 同樣以60 級( 400 MPa) 作為結構主要受力配筋，最高可以使用550 MPa 級。在輔助配筋方面，我國大量使用300 MPa 級光圓鋼筋，而ACI 318 的要求更加嚴格，一般只能使用40 級帶肋鋼筋，光圓鋼筋僅允許用於鋼筋網片和螺旋箍筋，這樣有利於提高結構性能。但我國現行帶肋鋼筋產品標準GB1499. 2 中沒有納入300MPa 級，實際使用中只能以335 MPa 級替代。
3. 3 抗震性能及應用
我國混凝土結構設計規範GB50010 － 2010 對抗震鋼筋的要求是: ( 1) 鋼筋抗拉強度實測值與屈服強度實測值之比不小於1. 25; ( 2) 鋼筋屈服強度實測值與屈服強度特徵值之比不大於1. 3; ( 3) 鋼筋最大拉力下的總伸長率實測值不小於9%。同樣出於對鋼筋延性的考慮，美國在地震區要求使用60 級低合金帶肋鋼筋或40級和60 級碳鋼帶肋鋼筋，其中碳鋼帶肋鋼筋還必須符合超強比和強屈比的要求，與上述我國抗震鋼筋的第( 1) 、( 2) 條要求相同，但沒有對最大總伸長率作特別規定，另由於60 級低合金帶肋鋼筋性能優良，ACI 318 未對其作額外規定。除500 MPa 級( 對應美國75 級，520MPa) 帶肋鋼筋外，美國標準對伸長率的要求大都高於我國，而且美國該級別碳鋼鋼筋在地震區不允許採用。伸長率要求對比見表2 和表3。我國對於抗震鋼筋的伸長率統一要求為9%，對採用高強鋼筋的結構的抗震性能不利，應加強其抗震應用研究。
表2 光圓鋼筋伸長率對比
表3 帶肋鋼筋伸長率對比
3. 4 機械連接與機械錨固
我國規範將鋼筋連接強度等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級，其中Ⅲ級為最低要求，規定接頭強度應不小於鋼筋屈服強度標準值的1. 25 倍，與ACI 318 － 2011 的12. 14. 3. 2 條的規定相同，所以美國標準與我國的最低要求一致。在連接形式上，中美兩國有所不同，但均能保證受力要求，鑒於國情和行業發展水平的不同，應該說各有優缺點。在機械錨固方面，兩國的要求基本相同，倡導採用機械錨固，以節約鋼材，方便施工。ACI318 的第12. 6. 1 條、12. 6. 2 條對帶肋受拉鋼筋端頭錨固板的基本錨固長度及其適用條件作了詳細規定，包括鋼筋屈服強度限制、鋼筋公稱直徑限值、混凝土類型、錨固凈面積、保護層厚度、鋼筋凈距等。我國在機械錨固技術方面起步較晚。混凝土結構設計規範GB50010 －2010 中增加了鋼筋錨固板相關技術要求，2011 年頒布實施的行業標準鋼筋錨固板應用技術規程JGJ256 －2011，對錨固板技術作了更加詳細的規定，這些都為機械錨固技術的廣泛應用提供了有效技術保障。
4、建議
通過中、美兩國建築鋼筋標準及應用情況對比分析，結合我國實際情況，對建築鋼筋生產應用尤其是加快推廣高強鋼筋應用提出如下建議:
( 1) 加強鋼筋生產技術研究。加快基礎技術研發，提升生產、加工工藝，推廣餘熱處理、超細晶粒熱軋、微合金處理等先進生產工藝，尤其是加強對非合金化高強度鋼筋的研究和成果轉化工作，降低成本。
( 2) 加快高強鋼筋應用技術研究。混凝土結構設計規範GB50010 的編製依據主要是上世紀七、八十年代進行的大量基礎性科研，應優化500 MPa 級高強鋼筋生產工藝，確保滿足結構抗震設計性能指標並加強其連接技術的研發、推廣與應用; 完善配置高強鋼筋的結構構件抗震性能相關研究以及開展600 MPa 級高強鋼筋的生產技術研發與應用技術的基礎研究工作。
( 3) 修訂完善相關標準規範。美國的標準規範與鋼筋產品和技術發展同步。我國從目前看，應加快制修訂相關標準規範，加強標準配套，完善標準體系。修訂GB1499 帶肋鋼筋標準，優化鋼筋級別設置，暫保留小直徑HＲB335 鋼筋。借鑒美國做法，嚴格控制光圓鋼筋使用，不僅有利於提高建築使用性能，而且可以淘汰落後鋼筋生產能力，優化產能，促進帶肋鋼筋生產消費的結構升級。淘汰大直徑HＲB335 的應用，將現GB1499 標準中的335 MPa 級鋼筋逐步取消，把400 MPa 級鋼筋設為主力鋼筋，建立與國際協調並具有中國特色的建築用鋼筋等級體系。科學修訂《混凝土結構設計規範》和《高層建築混凝土結構技術規程》等主要相關鋼筋應用標準。從長期看，還應明確相關標準規範的制修訂周期，行業資料、信息搜集研究工作持續化，適時推出「小改版」以適應發展需要，增強標準的開放性、兼容性和協調性。
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