崔玉柱 孫海清 萬云輝 劉曉琳

摘要： 在國際水電工程建設中，部分符合中國標準的鋼筋尚不能完全適應國際市場要求，為此對中國水工混凝土結構設計規(guī)范中采用符合美國標準的鋼筋進行探討。在對比中國標準和美國標準鋼筋主要性能參數(shù)的基礎上，分析了美國標準鋼筋在中國水工混凝土結構設計規(guī)范中的適用性。研究結果表明：選用美國標準鋼筋對中國規(guī)范中鋼筋混凝土構件進行承載能力極限狀態(tài)設計和正常使用極限狀態(tài)設計是可行的;美國標準鋼筋與中國標準鋼筋在化學成分、可焊性和冷彎性能等工藝要求上的差異不是制約材料選用的原因，設計中通過對與以上性能對應的構造及施工工藝等進行適當調(diào)整后，美國標準鋼筋可適用于中國水工混凝土結構設計規(guī)范要求。

關鍵詞：美國標準鋼筋;中國標準鋼筋;水工混凝土結構;設計規(guī)范;適用性

中圖法分類號：TV48文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.011

隨著“一帶一路”倡議的推進，中國水利和電力行業(yè)技術標準將會逐漸走向國際市場，國外的水電工程建設中也越來越多采用中國標準進行設計。水電工程鋼筋混凝土結構依據(jù)DL/T5057-2009《中國水工混凝土結構設計規(guī)范》（以下簡稱“《規(guī)范》”）[1]進行設計時，鋼筋材料基于中國標準（以下簡稱“國標”）確定，材料需要從國內(nèi)市場進行采購，運輸周期長，不僅加大了工程進度計劃控制的難度，也大幅提高了材料的成本。相對而言，美國標準（以下簡稱“美標”）鋼筋在國外市場更易于采購，一些國家甚至對進口鋼筋存在一定程度的限制。在中國設計標準逐步走向國際市場，而項目所在國鋼筋材料市場目前多采用美標的條件下，關于《規(guī)范》中采用美標鋼筋問題的探討對于中國標準在國外水電工程的推廣應用具有非常重要的現(xiàn)實意義。已有文獻[2～4]對美標鋼筋與中國鋼筋性能對比及互相代換做過較多探討，本文則是將美標鋼筋作為一種新型鋼筋，通過研究其在《規(guī)范》中的適用性，以期擴大《規(guī)范》的適用范圍;通過與鋼筋性能相適應的局部調(diào)整，可按《規(guī)范》直接采用美標鋼筋進行設計。

中國水工混凝土結構設計中常用的受力鋼筋規(guī)格為GB1499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》[5]中規(guī)定的HRB400鋼筋。本文主要以國際市場上生產(chǎn)和應用較為普遍，且與HRB400鋼筋強度較為接近的美標（ASTM 615[6]和ASTM 706[7]）60級鋼筋為例，探討美標鋼筋在《規(guī)范》中的適用性。

1美標鋼筋與國標鋼筋主要性能參數(shù)對比

1.1鋼筋規(guī)格

表1給出了國標HRB400鋼筋和美標60級鋼筋的常用直徑規(guī)格，兩者基本能夠相互對應，為將美標鋼筋應用于中國水工混凝土結構設計提供了較大便利性。

1.2 化學成分

表2為有關中、美標準鋼筋化學成分的規(guī)定。中國標準鋼筋的化學成分要求較美國標準鋼筋更為嚴格，碳含量及碳當量水平更低。

1.3 強 度

對于具有明顯流幅的鋼筋，中、美標準均將屈服點對應的強度定義為鋼筋的屈服強度，曲線上對應于最大強度的點為極限抗拉強度。對于沒有明顯流幅的鋼筋，中國標準取應力-應變曲線上殘余應變?yōu)?.2%對應的應力為屈服應力，稱為條件屈服強度。美國標準按規(guī)定應變對應的應力確定，40級和60級鋼筋應變?nèi)?.5%，75級鋼筋的應變?yōu)?.35%。

國標HRB400鋼筋屈服強度為400 MPa，對應于美標60級鋼筋強度為420 MPa，美標60級鋼筋強度略高于國標HRB400鋼筋。

1.4延性和強屈比

表3為中、美標準規(guī)定的鋼筋伸長率。

從控制標準來看，美標鋼筋的延性指標要求低于國標鋼筋，ASTM 706鋼筋要求與國標鋼筋要求較為接近。

另外，《規(guī)范》要求當?shù)卣鹪O計烈度為8度、9度設防時，要求縱向受力鋼筋的強屈比大于1.25，使結構某部位出現(xiàn)塑性鉸以后有足夠的轉動能力，鋼筋的屈服強度實測值與鋼筋強度標準值的比值不應大于1.3，以實現(xiàn)強柱弱梁、強剪弱彎。GB1499.2-2007對普通鋼筋未做上述規(guī)定，但對抗震鋼筋HRB400E做出了明確規(guī)定，美國標準ASTM 615未對強屈比作出規(guī)定，ASTM 706規(guī)定強屈比為1.25。

1.5可焊性

鋼筋的可焊性取決于材料中碳及各種合金元素的含量。碳當量較高時可焊性較低，超過0.55%時則難以焊接。

GB1499.2-2007和ASTM706中明確了所有牌號鋼筋是可焊接的，ASTM 615中的所有牌號未明確是否可焊接，一般不可焊接，還需對其化學成分進行適當調(diào)整，與恰當?shù)暮附庸に囅嘟Y合才可進行焊接。

1.6冷彎性能

鋼筋產(chǎn)品標準及混凝土結構施工規(guī)范都對冷彎性能有具體要求，鋼筋在使用前應通過相應的試驗檢驗。表4為中、美標準對鋼筋彎曲和反彎試驗的規(guī)定。

中、美標準鋼筋均須通過彎曲試驗，彎曲角度為180°，從彎芯直徑看，美國標準ASTM 615的規(guī)定較寬松，中國標準更為嚴格。

1.7 初步結論

通過對中、美標準鋼筋主要性能參數(shù)的對比分析，初步得出以下結論。

（1）國標HRB400鋼筋與美標60級鋼筋常用鋼筋規(guī)格基本對應，對選用美標鋼筋進行中國水工混凝土結構設計提供了較大便利性。

（2）美標60級鋼筋強度略高于國標HRB400鋼筋，但美標鋼筋反映延性指標的伸長率的要求低于國標要求，強屈比的規(guī)定也有所差異，這些對不同受力條件下鋼筋混凝土構件的結構設計或有不同程度的影響。

（3）中國標準鋼筋的化學成分要求較美國標準鋼筋更為嚴格，碳含量及碳當量水平更低。

（4）化學成分以及延性指標要求的不同，是造成中、美標準鋼筋加工性能差異的主要原因。美標鋼筋的可焊性、冷彎性能等相比國標鋼筋較差，在工程實施中采用美標鋼筋應引起重視，但可通過調(diào)整相應的構造及施工工藝滿足工程要求。

2 結構計算分析

《規(guī)范》中鋼筋材料明確以國標鋼筋為基礎，因此探討該規(guī)范中采用美標鋼筋的問題，需要考慮鋼筋材料選擇對結構計算的影響，從設計角度進一步分析采用美標鋼筋的可行性。

2.1鋼筋材料參數(shù)的選用

在水工混凝土構件結構計算中，涉及鋼筋材料的主要計算參數(shù)分別為強度、彈性模量及應力-應變關系。

2.1.1 強度

GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》[9]規(guī)定，取具有95%以上保證率的屈服強度作為鋼筋的強度標準值fyk，鋼筋強度標準值是規(guī)定等級鋼筋強度的代表值。

《規(guī)范》要求采用鋼筋強度設計值fy（抗拉）和fy′（抗壓）進行鋼筋混凝土結構構件計算。鋼筋強度設計值fy是根據(jù)鋼筋材料分項系數(shù)，利用鋼筋強度標準值確定，即

[fy=fyk/γs] ??（1）

式中，[fyk]為鋼筋強度標準值;[γs]為鋼筋材料分項系數(shù)，考慮了實際中鋼筋強度偏離強度標準值的可能性，[γs]取1.1。國標HRB400鋼筋的標準強度為400MPa，計算得到強度設計值為363.63MPa，實際規(guī)范取值為360MPa;美標60級鋼筋對應強度標準值為420MPa（屈服強度），按相同設計原則，強度設計值應為378MPa，美標60級鋼筋的強度設計值較國標HRB400鋼筋高5%。

2.1.2 彈性模量

《規(guī)范》中按正常使用極限狀態(tài)驗算鋼筋混凝土構件的裂縫寬度和撓度時，要用到鋼筋的變形參數(shù)—彈性模量Es。各類鋼筋彈性模量差別很小，中、美標準鋼筋彈性模量Es均為200GPa。

2.1.3 應力-應變關系

中、美標準采用的鋼筋應力-應變關系形式基本一致，見圖1。

鋼筋屈服之前，鋼筋應力和應變呈正比，鋼筋應力取鋼筋應變與彈性模量的乘積;鋼筋屈服后，鋼筋的應力保持不變，且不大于其強度設計值。與美國標準相比，中國標準規(guī)定了受拉鋼筋的允許極限拉應變?yōu)?.01，考慮鋼筋材料在水工混凝土結構應用中一般不會按允許極限拉應變狀態(tài)設計，可認為中、美標準鋼筋材料的應力-應變關系曲線是一致的。

2.2 美標鋼筋的適用性分析

《規(guī)范》中鋼筋混凝土結構計算主要包括構件的承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算，采用美標鋼筋對結構計算的影響詳見表5。

從表5分析成果來看，對于鋼筋混凝土構件承載能力極限狀態(tài)計算，主要影響參數(shù)是鋼筋材料強度及彈性模量。計算公式物理概念明確，過程清楚，適用于美標鋼筋。對于正常使用極限狀態(tài)下構件裂縫寬度驗算，采用美標鋼筋時與計算公式直接相關的材料參數(shù)僅為鋼筋彈性模量，公式中大量系數(shù)取值基于試驗成果總結，且與鋼筋性能密切相關，相互關聯(lián)性不能完全量化，此時分析美標鋼筋材料應用影響建議進一步對照ACI 318《美國混凝土結構設計規(guī)范》[10]中裂縫開展寬度計算公式進行復核。

此外，《規(guī)范》中鋼筋混凝土構件的抗震設計主要是增大框架梁和框架柱的延性，遵循“強剪弱彎”“強柱弱梁”“強節(jié)點弱構件”等原則，其中明確與鋼筋材料參數(shù)相關的要求為：地震設計烈度為8度、9度設防時，縱向受力鋼筋的強屈比大于1.25，鋼筋的屈服強度實測值與鋼筋強度標準值的比值不應大于1.3。中國標準對專門的抗震鋼筋（如HRB400E）提出指標要求，因此在使用美標鋼筋時可參照中國標準對產(chǎn)品提出相應要求，以滿足水工混凝土結構設計規(guī)范結構抗震設計對鋼筋材料的要求。

雖然美標鋼筋延性指標低于國標鋼筋的規(guī)定，但也遠大于設計中采用的應力-應變曲線允許極限拉應變值，因此，按《規(guī)范》進行設計也是適用的，其中構造要求應與鋼筋特性相匹配。

2.3 適用性分析結論

通過對中、美標準鋼筋主要性能參數(shù)的對比分析以及對《規(guī)范》中采用美標鋼筋材料的適用性分析，可得到以下基本認識。

（1）美標鋼筋直徑規(guī)格與國標鋼筋接近，鋼筋強度略高于國標鋼筋，有利于在《規(guī)范》中按承載力設計值選用美標鋼筋材料。

（2）中、美標準鋼筋影響結構計算的材料參數(shù)中，彈性模量和應力-應變關系基本一致，美標鋼筋強度略高于國標鋼筋。在水工混凝土結構設計規(guī)范中美標鋼筋的選用對于進行承載能力極限狀態(tài)計算是適用的，而進行正常使用極限狀態(tài)下裂縫開展寬度驗算時，由于計算公式中大量系數(shù)基于試驗成果總結，與鋼筋材料性能參數(shù)密切相關，影響不可量化，可同時對照ACI 318中裂縫開展寬度計算公式進行復核。就結構計算而言，《規(guī)范》中選用美標鋼筋材料是可行的。

（3）美標鋼筋延性指標低于國標鋼筋的規(guī)定，但遠大于設計中采用的應力-應變曲線允許極限拉應變值，按《規(guī)范》進行設計是適用的。

（4）在鋼筋混凝土構件抗震設計中會明確對鋼筋材料強屈比等提出要求，采用美標鋼筋時可按照中國標準對鋼筋產(chǎn)品提出相應要求。

（5）美標鋼筋的可焊性、冷彎性能相比國標鋼筋較差，工程實施中應予以重視，構造要求和施工工藝應與鋼筋特性相匹配。

《規(guī)范》中選用美標鋼筋時，還應重點關注與鋼筋混凝土構件設計、實施密切相關的各種構造要求，如鋼筋的混凝土保護層厚度、錨固長度、接頭方式及要求、鋼筋的最小配筋率、抗震構造要求等，設計者應根據(jù)具體的工程設計條件，結合鋼筋標準和特性提出合適的構造要求和施工工藝。

3 結 語

在“一帶一路”倡議的帶動下，中國標準將越來越多走入國際市場，國際水電工程建設中也將更多采用中國規(guī)范進行設計，探討中國水工混凝土結構設計規(guī)范中采用美標鋼筋，能夠更好適應當前的國際市場現(xiàn)狀，且有利于工程進度控制以及成本節(jié)約。在工程的設計與實施過程中，應正確認識在中國水工混凝土結構設計規(guī)范中選用美標鋼筋材料帶來的影響，全面分析其應用可行性，評估可能存在的問題。同時，建議《規(guī)范》修編時擴大鋼筋材料的適用范圍，以推動中國標準更好適應國際市場。

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[10] ACI 318-15 Building Code Requirements for Structural Concrete [S].

（編輯：李曉濛）

Feasibility research of American-standard steels in Chinese design specifications for hydraulic concrete structure

CUI Yuzhu1， SUN Haiqing2， WAN Yunhui2， LIU Xiaolin2

（1. Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research，Wuhan ?430010， China;

2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research，Co.，Ltd.， Wuhan ?430010， China）

Abstract： For some international hydro projects， partial steels that conform to the Chinese standards fail to meet the requirements of international markets， thus we analyzed the feasibility of the American-standard steels in the Chinese design specifications for hydraulic concrete structures. We compared and analyzed the key performance parameters of Chinese-standard and American-standard steels and their applicability. The results show that it is feasible to use American-standard steels as alternatives in designing bearing capacity of concrete structural components under ultimate and serviceability limit states. The differences between Chinese and American-standard steels in properties of chemical components， weldability， and cold bending are not the factors restraining the selection of the steels. If proper adjustments are made to the structures and construction techniques corresponding to the above properties， American-standard steels can be an alternative for Chinese-standard steels in the design specifications for hydraulic concrete structures.

Key words： American-standard steel; Chinese-Standard steel; hydraulic concrete structure; design specifications; feasibility