钒微合金化与余热处理钢筋抗震性能比较（一）

根据钢筋在地震载荷下的失效模式，钢筋的抗震性能是以高应变低周疲劳为核心的指标体系，包括应变时效敏感性、低温脆性、可焊性、强度与塑性的配合。钢筋抗震性能测试结果说明，钒微合金化与余热处理钢筋均能满足GB1499.2-2007中对抗震钢筋的性能要求。但根据以高应变低周疲劳为核心的抗震性能指标体系，钒微合金化钢筋的各项指标均优于余热处理钢筋，特别是应变时效敏感性、韧脆转变温度和循环韧度等方面。

1钢筋的抗震性能与减震防灾间的关系

5.12汶川地震发生后，抗震减灾方面的研究工作引起了社会各界的广泛关注和各级政府部门的高度重视。抗震减灾措施涉及到方方面面，提高钢筋的抗震性能是其中一个重要方面。

我国是地震多发国。根据1990年国家地震局发布的地震烈度区划图，我国有41%的国土面积、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地区，6度及6度以上地区占国土面积的79%；我国陆地面积占全球陆地面积的1/14，而20世纪实际发生的6级以上地震次数占全球的1/3；从地震所造成的损失来说，20世纪全球地震导致120万人死亡，其中我国有60万人，占50%。

形成地震重灾必须同时满足四个条件：（1）频发的大地震；（2）地震活动区人口密度大；（3）无预报或预报失准；（4）建筑物抗震能力差。前两个条件取决于自然和历史，是人类所不能干预的。目前，地震的预测预报水平还处在较低的水平。因为现代人的大部分时间都处在建筑物内，地震中所造成的人员死亡主要是由于建筑物倒塌所造成的，因此，减少地震灾害的主要途径是采取措施提高建筑物的抗震能力。

影响建筑物抗震能力的因素主要有：建筑物的结构形式和所采用的建筑材料。从建筑物的结构形式来看，目前主要有生土结构建筑；砌体结构建筑（俗称砖混结构）；钢筋混凝土结构建筑和钢结构建筑四种，其控制能力依次增强。目前生土建筑房屋在个别农村地区仍然存在，这种房屋极易遭地震破坏。砌体结构（俗称砖混结构）以材料经济，施工技术、管理、维护简便等优点成为我国应用广泛的建筑类型，但它强度较低、抗震性能差。近年来，钢筋混凝土结构以其在结构性能和施工工艺上的众多优点而成为高层建筑结构体系中的重要形式。这种结构以其稳定承载力高，构造简单、连接方便、抗弯性能好和耐火性能好等优点日益受到工程界的重视，是当代城市建设的主要结构形式。

从材料学的观点来看，钢筋混凝土建筑是由混凝土和钢筋两部分组成的复合结构。建筑结构主体承载的是混凝土、砖砌体这类脆性材料只能承受压力。在以强迫位移为特征的地震发生时，钢筋混凝土结构承受的是高应变交变载荷，配置其中的钢筋则承受了全部的拉力，就像骨架一样，维系着结构的完整。只要钢筋不发生断裂，建筑结构就不会发生灾难性倒塌，其中的人员就有逃生的机会。汶川地震现场调查结果显示，由于钢筋的抗震性能不够而被拉断，导致许多房屋构件倒塌；地震中也有许多建筑结构“裂而不倒”、“危而不断”，从而避免了更大的伤亡，其原因与钢筋优良的抗震性能直接相关。因此，改善钢筋的抗震性能对于提高整个建筑物的抗震能力具有十分重要的意义。

2钢筋在地震载荷下的失效模式

钢筋抗震性能的提出是以其在地震载荷作用下的失效模式为基础的。地震是一个突发性的能量释放过程。地震时建筑物承受的载荷具有瞬时性、交变性和随机性等特点。发生在日本东京芝浦宫城县冲及伊豆半岛东方冲的地震纪录及三个观察点分别记录的地面傅立叶波谱（FourierSpectrum）说明，震动最大频率在2Hz左右。1976年四川松潘地震记录与此相似。1976年唐山地震和2008年四川汶川地震时，震动频率都也是2Hz左右，强震持续时间在2min以内，如美国Elcentro地震为10s、唐山地震23s、松潘地震3s、日本阪神地震20s、日本东京芝浦地震为30s~40s。地震时，先是纵向震动几秒钟，然后横向震动，对建筑物的破坏主要是横波。美国Elcentro地震中记录的地震波谱说明，地震载荷为随机的交变载荷。对唐山地震遗址调查时，见到了河北矿冶学院一座四层楼的图书馆大楼，在高速度横波高的循环应变作用下，底层完全坍塌，一座4层楼的建筑垂直下降变为3层。基于这些事实和对唐山地震遗址所取钢筋样品的失效分析结果，可以确定建筑结构在地震载荷下的失效模式主要是高应变低周疲劳失效。

3钢筋的抗震性能指标体系

根据钢筋在地震载荷下的失效模式，经过多年的研究，钢筋的抗震性能是指以高应变低周疲劳抗力为核心的性能体系，包含以下五个方面。

(1)高应变低周疲劳寿命及循环韧度

高应变低周疲劳抗力，尤其是在疲劳寿命Nf≤100周~200周的疲劳抗力，对提高钢筋的抗震性能十分重要。为了衡量钢筋的高应变低周疲劳抗力，用“循环韧度”来度量。所谓循环韧性，就是指在疲劳寿命Nf=100周时，所对应的应力幅骯与此时的总应变范围腻t的乘积，即骯啄錿，其物理意义为地震时，钢筋所吸收的能量大小。

将钢筋抗震性能当作高应变低周疲劳问题来处理观点的提出，得到了国际学术界的承认。

应变时效敏感性

目前我国所用的钢筋多为C-Mn-Si系列。这类钢具有较高的应变时效敏感性。在施工时，钢筋不可避免地要发生一定的局部塑性变形，如冷弯。目前广泛应用的预应力钢筋在施工时要求对钢筋进行整体塑性变形。经过塑性变形的钢筋，在随后的使用过程中，钢筋将会发生应变时效效应，导致钢筋的塑性和韧性降低、强度和脆性增加，见图3。通常认为，室温下应变时效敏感性主要是由钢中自由氮原子引起的。自由氮原子在钢中集聚在位错周围，钉住位错，塑性变形时，位错脱离氮原子的钉轧，时效时，氮原子重新钉住位错，使位错运动受阻。新西兰已经发生多起因应变时效而引起的脆性断裂事故。因而强调指出，应变时效敏感性高的钢筋不能用于地震设防区内的建筑结构。钢筋的应变时效敏感性用应变时效后钢筋抗拉强度的升高率△U和延伸率的降低率△E来表示。对应变时效敏感的钢筋，延伸率可降低10%~40%，冲击韧性可降低40%~60%。同时脆性断裂趋势大大增加，从而降低钢筋的高应变低周疲劳性能。地震时钢筋将发生脆性断裂，导致建筑物的倒塌。另外，应变时效后钢筋处于强化态，在高应变循环变形过程中产生循环软化，导致吸收地震能量的能力大大降低，对抗震不利。

建筑结构中的钢筋具有不可替换性。因此，要求地震设防区新建工程所用的钢筋，其应变时效敏感性必须低，否则将在工程中留下隐患。

(3)冷脆性及韧-脆转变温度（DBTT）

我国地震设防区的分布很广，其中包括一些冬天寒冷的地区和城市，如北京、沈阳、长春、包头和乌鲁木齐等。这些地区的最低温度可能达到-30℃~-40℃。而钢筋的韧性是随温度而变的，当环境温度降低时，钢筋的韧性随之降低。当环境温度降低到一定温度以下时，钢筋将由室温下的韧性状态转变为低温下的脆性状态。若此时地震发生，就有可能由钢筋的冷脆性引起建筑物的倒塌。国内外因钢材冷脆性引起的灾难性事故，已发生多起。

(4)焊接性能

焊接性能是钢筋重要的工艺性能。焊接后，焊缝及热影响区的组织和性能将发生变化，成为钢筋中的薄弱环节，在地震发生时极有可能在焊接接头发生灾难性地断裂。唐山地震时，一座电厂有多处从焊缝开裂造成建筑的破坏。焊接接头由熔合区和热影响区组成。熔合区最大的特征是具有明显的化学成分不均匀性，引起组织的不均匀性，可见贝氏体、马氏体和贝氏体+马氏体的复合组织，因而常常是焊接接头最薄弱的环节。在高应变低周疲劳载荷作用下，断裂大部分发生在焊接熔合区。在对Ⅲ级钢筋进行可焊性试验时，发现了断裂发生在热影响区的拉伸断口，呈明显的脆性断裂特征。钢筋的焊接性能主要决定于含碳量和碳当量Ceq、焊缝及热影响区的最高硬度Hmax等。为了获得高的抗震性能，应该保证焊后拉伸试验时，断裂性质为韧性断裂，断口位于母材，且与母材处于同一强度、塑性水平。

(5)强度与塑性的配合

钢筋的高应变低周疲劳性能与其静拉伸强度和塑性有关。按照传统的Coffin-Manson理论认为，高应变低周疲劳抗力主要决定于材料的塑性。但大量的试验结果证实，材料的强度对低周，尤其是Nf≤100周~200周的疲劳抗力也起着重要的作用。因此，塑性高而强度过低或强度高塑性过低的钢筋，均不利于抗震性能的提高。但是，塑性较高的钢筋在地震时可以起到“塑性铰链”的作用，使建筑物裂而不倒。同时，随着高层建筑的发展，要求钢筋具有高的强度，故应综合考虑，使强度和塑性间存在良好的配合。

按照以上钢筋的抗震性能指标体系，对采用钒微合金化和轧后余热处理生产的HRB400钢筋的抗震性能进行了测试，并对其进行了对比分析，供设计部门在钢筋选材时参考。

(来源：钢铁产业)