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巴基斯坦制造钢筋的化学和力学性能及其设计意义

Muhammad Masood Rafi¹; Sarosh H. Lodi²; Amir Nizam³

摘要：钢筋通过强度和与混凝土的相容性使其在混凝土中有着长久的应用。由于钢筋具有延性和高能量吸收能力,被认为是理想的抗震建筑材料。不同来源的原材料在巴基斯坦的钢筋制造中使用，使得这些钢筋的化学成分、晶体结构和力学性能可能彼此不同。本文介绍了冷轧带肋钢筋和热轧变形钢筋的化学和力学性能试验结果。这两种钢筋都在巴基斯坦的建筑工业中使用。尽管钢筋的化学成分符合各自标准的要求,但仍有大量的钢筋无法满足规定的强度和伸长率要求。钢筋不能满足最低屈服强度要求的百分率高达60% ，并且钢筋强度数据的变化很大。研究了使用这些钢筋的设计意义,发现弯曲构件的破坏模式可能由延性破坏转变为脆性破坏。因此,提出了安全结构设计的建议。并进行了可靠性分析,提出了抗弯强度和抗剪强度的折减系数修正值。工业部：10.1061/ (美国土木工程师学会) )MT.1943-5533.0000812。2014年美国土木工程师学会。

关键词：加强钢筋；化学性能；抗拉强度；混凝土梁；抗弯强度；抗剪强度。

介绍：

混凝土在局部拉伸应力超过其抗拉强度时是一种弱材料。因此，需要加固混凝土使它能抵抗这些应力。虽然不同的研究人员已经探讨了使用非金属材料制作钢筋的可能性 (Nawy and Neuwerth 1977;Saadatmanesh and Ehsani 1991; Faza and GangaRao 1992; Nanni1993; Ghavami 1995; Al-Salloum et al. 1996; Benmokrane et al.1996; Kawai et al. 2000; Amada and Untao 2001; Toutanji andDeng 2003; Al-Negheimish and Al-Zaid 2004; Galati et al.2006; Rafi et al. 2008; Rafi and Nadjai 2011; Noel et al. 2011) 但钢仍然是混凝土加固的首选材料，(Goto 1971;Kankam 2004; Szota 2008)。钢的各种性能，如强度和与混凝土的相容性，使钢在钢筋混凝土（RC）和预应力混凝土应用得非常广泛。多年来，由于技术改进，在施工中钢筋的使用越来越多（baydogan等人2005）。钢的高能吸收能力使其成为在地震频发区施工的理想材料。目前钢筋混凝土结构抗震设计理念很大程度上依赖于钢的延性和能量吸收能力。这些性质使得结构的变形能够超过弹性范围，并允许结构中的力再分配而结构不会破坏。因此，钢结构构件的设计必须符合基本假设要求（(Kankam and Adom-Asamoah 2002）。

钢的强度和延展性对结构是最重要的力学性能。这些性能受化学成分、热处理和钢制造方法的影响很大(Kankam and Adom-Asamoah 2002)。同时，钢的成本也取决于这些因素。为了控制成本，发展中国家的钢铁制造商被迫使用回收钢，以生产经济的钢筋。例如，每年在加纳回收80000吨废钢（Kankam 2004）。巴基斯坦也不例外，在生产钢筋的时候，巴基斯坦的钢铁制造商使用不同来源的原材料。这些钢筋在化学成分、结晶结构、机械性能上有很大的变化(Lodi and Masroor 1994)。本研究旨在探讨在巴基斯坦制造的钢筋的化学和力学性能，讨论使用这些钢筋的设计影响，并提出了建议。

¹教授，地震工程部，NED工程技术大学，卡拉奇75270，巴基斯坦（通讯作者），电子邮件：rafi-m@neduet.edu.pk。

²院长，内德工程技术大学土木工程与建筑学院，卡拉奇75270。电子邮件：sarosh.lodi@neduet.edu.pk.

³高级实验室工程师，土木工程系，NED大学工程与技术，卡拉奇75270，巴基斯坦。电子邮件：amirsahrai@hotmail.com。

注：本稿件于2012年12月6日提交；2013年3月5日批准；2013年3月7日网上公布。讨论期开放至2014年7月1日，个别论文必须单独讨论。本文是土木工程材料的一部分，第26卷，第2号，2014年2月1日。copy;ASCE，ISSN 0899-1561 / 2014 / 2-338-348 / 25美元。

1 背景和范围

巴基斯坦的建筑业没有科学的组织(Rafi and Siddiqui 2010)，因此，缺乏监测和控制在施工是非常普遍的。这种情况进一步加剧了使用未知性质材料的现象。这种施工抵抗横向地震荷载的能力是不确定的。由于巴基斯坦的几个地区处于地震活跃地区，所以从生活安全的角度来看，缺乏抗震建筑是一个主要的问题。2005年克什米尔地震造成的破坏绝不会被巴基斯坦人民所遗忘，在这次地震中，由于建筑物的倒塌使得73,000多人遇难，至少有69000人受伤（2006年地震重建和恢复管理局）。此外，约280万的人由于450000建筑物的破坏而无家可归(Rossetto and Peiris2009）。在巴基斯坦，结构设计虽然是采用美国混凝土协会（ACI）规范进行318R-02（ACI2002）设计的,但是由于各种因素如不可靠的试验报告、材料性能等不一致，设计人员往往对施工过程中所用的材料没有有效的控制，因此，这些结构在设计过程中的抵抗能力是不确定的。

在巴基斯坦用于混凝土加固的钢筋原材料有三个。这些来源之一是由巴西钢铁公司生产的钢坯；第二类就是用这个钢坯生产钢筋，这包括冷弯钢筋和热轧变形钢筋，前者有斜缺口是由低碳钢筋冷弯制造成。尽管冷弯钢筋不符合ASTM标准 [如 A615/A615M-05a (ASTM 2005)]，比如这些钢筋的延展性是未知的，但是它们仍被用于ACI规范设计的结构构造中。钢的其他原材料来源是船板和铸锭，这些材料是由当地生产和进口的废钢制造的(Lodi and Masroor 1994)。只有冷弯钢筋是由这些材料制成而且这些材料使用在钢筋制造中可以归因于法律制度和钢筋制造标准执行不力。严重违反设计标准使用不标准的钢筋是巴基斯坦结构工程师主要关注的问题(Lodi and Masroor 1994)。热轧变形钢筋是由高强度钢坯制造的。如前所述，此钢坯由巴基斯坦钢铁公司生产，这些钢筋都有纵向和圆周的凹口，并且通常被认为具有比冷弯钢筋具有更好的质量。

钢的典型应力-应变曲线由线性弹性部分组成，其后是屈服平台。屈服平台长度一般取决于钢的强度。应变加强区接着钢筋屈服平台直至破坏。应变加强区在正常设计的钢筋混凝土结构中提供了足够大的塑性铰的转动能力，防止了它们的脆性破坏。图1说明了在巴基斯坦热轧变形钢筋、冷弯钢筋典型的应力-应变曲线是有效的，尽管前面的条形曲线表现出增强钢筋的上述特征，但在后一条曲线上很难确定屈服点。与热轧变形钢筋相比，冷弯钢筋的应变强化区小。然而，冷弯钢筋与热轧变形钢筋相比也因其较低的价格被当地建筑业需求。

图1 钢筋的典型应力-应变曲线

巴基斯坦标准和质量管理局（PSQCA）是巴基斯坦的国家标准化机构。其职能是向政府提供标准化政策、计划和活动，以提高工业效率和促进发展(PSQCA 2011)。PSQCA建议使用BS 4449[British Standards Institution (BSI) 1997]作为冷弯钢筋的制造标准，而热轧变形钢筋的制造都应符合A615/A615M-05a (ASTM 2005)的要求。本文介绍了这两种类型钢筋进行的测试结果，将化学成分、屈服强度、抗拉强度（FU）和伸长率的测试数据与上述标准规定的要求进行比较，并对结果进行了讨论。此外，对 BS 4449（BSI 1997）和A615 / A615M-05a（ASTM 2005）所建议的钢筋进行了弯曲试验，所提供的数据对于开发现有建筑材料能力的现实模型至关重要。为抵抗考虑范围内的最大地震，对这些钢筋的设计意义进行了研究，这表明基于ACI规范的设计存在缺陷。需要进行实证研究，并进行修改以确保安全的结构设计。此外，进行可靠性分析以提出使用在巴基斯坦制造的钢筋进行设计的弯曲构件的阻力系数。

2 实验课程

NED工程技术大学土木工程系向建筑行业提供钢筋试验服务，测试包括屈服强度，拉伸强度，伸长率和弯曲试验。每年测试数千个钢筋样品，并将这些测试钢筋的数据存储在数据库中，本文中的数据取自2009年和2010年测试钢筋的数据库。所提供的钢筋数据由大约2,400个不同直径的热轧变形钢筋和2,200个冷扭钢筋构成。这些钢筋在Shimadzu UH-500 KNI或WAW 2000A型万能试验机（中国时代集团）上测试。另外，随机选择一些测试的钢筋用于化学分析，这些测试包括根据ASTM A751（ASTM 2007）进行光谱分析。并进行化学测试以确定制造的钢筋中使用的碳和其它合金添加剂如锰，硫和磷的比例。测试钢筋的直径为10（3号），12号，13号（4号），16号（5号），19号（6号），20号，22号（7号），25号（8号），32号（10号）和40mm。括号中的数字表示等效的A615 /A615M-05a（ASTM 2005）钢筋名称。测试钢筋的样品量在表1中提供。

表1 测试钢筋的数量

3 可靠性分析

可靠性是指在规定条件下（如破坏），令人满意的性能的概率量度。可靠性可以看作是失效概率的补充函数（P_f），它指的是负载（Q）大于抗力的概率（R），本研究的可靠性分析使用Cornell（1969）和Lind（1971）开发的程序进行。以前给出了计算phi;的方程的推导（MacGregor 1976），对于对数正态分布，P_f给出如下：

（1）

其中phi;(x)=标准正态分布函数，beta;为安全指标。对于方程式（1），假定对数正态分布，因为能更好的表示R /Q。对于随机变量Y，安全性指标如下：

（2）

其中Vy =Y的变异系数；omega;=对数正态分布参数[式（3）]；alpha;r= Rm / Ru，Rm和Ru为平均值和设计强度。

（3）

其中mu;_Y=随机变量Y的平均值。

结构的可靠性（R_t）计算如下：

（4）

ACI规范的极限状态设计过程中的安全规定使用强度和负载因素，以等式（5）的形式表示：

（5）

其中phi;=强度降低因子，k=负载系数

方程式(5)的右边表示RC构件的设计强度，左侧是指实际强度。方程式（5）中的荷载可能包括外部载荷或其内部效应，如力矩，剪力，推力。具体来说，方程式（5）可以表示为等式（6）用于经受弯曲和剪切的弯曲构件，如下：

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