美国高强钢筋应用情况考察

一、美国高强钢筋应用情况

(一)考察交流基本情况

考察团访问了美国的两家公司和一个结构实验室：伯克利市的Tipping Mar结构工程设计公司(Tipping Mar Structural Engineering，Inc)、斯托克顿市的Sumiden钢绞线制品有限公司(Sumiden Wire Products Corporation)和休斯顿大学(University of Houston)土木与环境工程系的结构实验室。

在Tipping Mar结构工程设计公司，考察团详细听取了Leo Panian先生和Tim Strickland先生关于美国高强钢筋在设计与施工环节应用技术的介绍，并进行了充分的讨论，随后参观了位于伯克利大学的科研楼施工工地。在Sumiden钢绞线制品有限公司，考察团参观了高强钢绞线生产线；在休斯顿大学土木与环境工程系，考察团与美国专家就美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI318中有关高强钢筋的要求进行了座谈，并在Labib先生和Sinjaya先生的带领下参观了该校的托马斯结构研究实验室(Thomas T.C.Hsu Structural Research Laboratory)。

通过座谈讨论、观摩施工现场及生产车间、参观结构实验室等方式，考察团与美国相关人员进行了深入的技术交流，对美国高强钢筋应用情况有了比较深入的了解。

(二)美国建筑市场概况

美国建筑行业自上世纪90年代初至2006年一直处于上升阶段，建筑业总支出增长近3倍，达到12000亿美元。近年来，美国建筑行业成为经济衰退的重灾区，据美国商务部统计数据，2012年6月建筑业总支出为8200亿美元，较2006年峰值降低32%，其中新建建筑支出为4120亿美元。但与2011年同期相比，建筑业总支出增长8%，其中住宅建筑增长0.7%，非住宅建筑增长20%，开工率也有所上升，显示出建筑业缓慢复苏的迹象。在这种形势下，美国目前的钢筋和线材供应量及需求量虽低于正常水平，但已开始回升。2012年前10个月，美国粗钢累计产量为8811.3万短吨(1短吨约等于907千克)，同比增长3.1%，产能利用率也有所提高。

(三)美国建筑用钢筋标准主要内容

美国建筑用钢筋主要涉及两本产品标准和一本建筑标准。产品标准为ASTM A615和ASTM A706，均由美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials，简称ASTM)制定，其中钢筋等级根据钢筋的屈服强度划定，对应的是屈服强度的最小值。建筑标准为ACI 318，由美国混凝土学会(American Concrete Institute，简称ACI)制订。

1.ASTM A615 ASTM A615为美国钢筋混凝土配筋用碳钢带肋钢筋与光圆钢筋标准，最初颁布于1911年，当时包含了三个等级的钢筋——33级、40级和50级，最小屈服强度分别为：33ksi(注：ksi为英制单位，对应公制单位的强度约为230MPa，英制公制对应表见附表)、40ksi(280MPa)、50ksi(350MPa)。目前最新版ASTM A615标准(2012年版)包含四个等级的钢筋——40级、60级(60ksi，420MPa，60级及以上强度钢筋为高强钢筋)、75级(75ksi，520MPa)和80级(80ksi，550MPa)。

60级和75级钢筋最早分别出现在1959年发布的ASTM A432和ASTM A431中(这两个标准现已废止)，并在1968年被首次纳入ASTM A615。其中，75级钢筋因屈服强度定义与美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI 318(1971年版)有冲突而在1974年ASTM A615中删除。直到1987年，经过与ACI318规范协调一致后，75级钢筋才被重新纳入ASTM A615。80级钢筋2009年才纳入ASTM A615标准。尽管ASTM A615已经加入80级钢筋，但75级钢筋还会保留一段时间，以满足一些用户需要(如用于采矿业的顶锚)。

从ASTM标准钢筋等级设置的历史沿革可以看出，美国钢筋强度等级在不断向高强化发展，已形成“低中高”搭配强度等级序列(美国40级钢筋的应用已超过100年，60级、75级的应用也有50余年，80级已经开始投入应用)。

2.ASTM A706

ASTM A706为美国混凝土配筋用低合金带肋钢筋标准，最初颁布于1974年，当时是根据用户对于钢筋可焊性和高等级抗震设计中弯曲性能及可控延性的要求而出台的。2009年版之前标准中只有60级钢筋，2009年标准修订中纳入了80级钢筋。现行版本为2009年第二次修订版，包括60级和80级两种钢筋。

低合金钢筋由于加入合金元素(锰、钒、钛等)而显著提高了强度，并较好的保持了钢筋的延性。同时与碳钢钢筋相比，质量和力学性能更加稳定，强屈比大于1.25，并有很好的延性。因此，60级低合金钢筋被广泛用于地震地区有抗震性能要求的构件的纵向受力配筋。ASTM A706规定60级钢筋的均匀伸长率按不同直径分别为10%～14%，高于ASTM A615的8%；80级钢筋的均匀伸长率按不同直径分别为10%～12%，也高于ASTM A615的7%。同时，为满足抗震设计基本要求，保证结构构件的抗震性能，ASTM A706规定了钢筋的屈服强度上限，即要求钢筋的实测屈服强度最大值不高于屈服强度18 ksi(120MPa)，而ASTM A615中没有相应规定。ASTM A706中还指出80级钢筋的性能指标可能与现行其他设计规范的规定不一致，反映出美国对80级钢筋的应用尚处于起步阶段。

3.ACI318

ACI 318为美国钢筋混凝土房屋建筑规范，对于混凝土配筋用钢材的规定一般是引用ASTM的相关标准，即随着ASTM标准对钢筋品种、性能要求的变化而变化。现行版本为2011年版，规定带肋碳钢钢筋、带肋低合金钢筋需分别遵守现行ASTM A615和ASTM A706的规定。

ACI318将60级带肋钢筋为混凝土结构的主力配筋，将40级带肋钢筋用于结构的辅助配筋，混凝土房屋结构中钢筋应用的最高强度级别为80级。ACI318规定光圆钢筋仅用于钢筋网片、柱的螺旋箍筋和预应力筋，大量箍筋与构造配筋均要求采用带肋钢筋，这主要是因为带肋钢筋有较好的锚固性能，能更好地控制裂缝、改善结构性能。

与我国规范相似，ACI 318对用于地震区混凝土结构设计时的钢筋提出了强度等级与性能要求。用于有抗震性能要求的框架与剪力墙设计时，钢筋的强度等级可采用ASTM A706中的60级低合金钢筋或采用ASTM A615中的40级与60级碳钢钢筋。采用40级与60级碳钢钢筋时，必须满足其钢厂实测屈服强度不高于屈服强度18ksi的要求，并且实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1.25。由于低合金钢的强度与性能指标更加稳定，故有抗震性能要求的构件设计时，已普遍采用60级低合金带肋钢筋。

从美国应用情况看，虽然应用75级、80级钢筋有利于节材、降低成本、减少钢筋密集度、方便施工等，但由于其延性低，ACI 318规范对于这两个强度等级钢筋的应用颇为慎重，目前规范中有很多限制，以控制混凝土裂缝宽度和一些结构的脆性破坏。另外，对其连接技术和连接成本也需设计时仔细确认。

(四)美国钢筋应用情况

1.高强钢筋的连接

美国的钢筋连接方式包括绑扎搭接、焊接与机械连接。绑扎搭接主要用于小规格钢筋(包括楼板配筋)；焊接由于质量原因与人工成本高(焊接施工人员成本较高，同时需要大量的质量检查人员成本，保证焊接质量)，已基本不采用；大直径钢筋(特别是柱与梁的纵向钢筋或剪力墙钢筋)普遍采用机械连接。机械连接主要形式为：

(1)螺纹双套筒对接型。钢筋先穿入套筒(分别为内螺纹套筒和外螺纹套筒)，并在专门设备上将钢筋端部镦出外扩式锥台，钢筋连接时分别将两侧的内螺纹套筒和外螺纹套筒拧紧，使连接钢筋在端部顶紧，拉力由套筒传递，压力由顶紧的钢筋端部传递。

(2)螺栓头与套筒连接型。超大直径钢筋的机械连接为采用机加工的螺栓头与机加工的内螺纹套筒在工厂里焊接(摩擦焊技术)到钢筋上。

当采用焊接与机械连接时，其接头强度应大于等于1.25倍钢筋屈服强度标准值。

2.高强钢筋的锚固

美国为了减少钢筋的锚固长度，倡导采用钢筋机械锚固，在节点处取消锚固钢筋的弯钩，减小钢筋密集度，便于混凝土的浇筑与振捣，保证施工质量。主要有三种方式：

(1)工厂镦头。钢筋采用工厂特殊工艺镦出圆形的锚固头。

(2)锥螺纹机械锚固头。钢筋端部加工锥螺纹，并拧入锥螺纹圆形端板。

(3)焊接方形端板。在工地现场或钢筋加工工厂中将方形端板与钢筋采用摩擦焊方式焊接。

钢筋镦头与锥螺纹圆端板的端部面积为4倍钢筋截面积，焊接方形端板面积为钢筋截面积的9倍。

3.箍筋的形式与要求

美国规范对于矩形箍筋要求采用带肋钢筋，其形式有三种：

(1)连续螺旋箍。

(2)分离式一笔画箍。

(3)普通矩形封闭箍(箍筋端部设135度弯钩)加拉钩(一端90度、一端135度，间隔布置)。

4.钢筋的工厂化集中加工

施工现场情况看，美国已没有钢筋大量堆放与现场加工，所有钢筋(包括箍筋、纵向钢筋)都已按设计要求进行了集中加工，箍筋已按要求加工成型，梁柱的纵向受力筋都已加工好机械连接头，在施工现场仅是绑扎成型，有的甚至在工厂就已经绑扎成型，运送到工地后直接吊装。

二、中美两国高强钢筋规范及应用情况的比较

(一)钢筋强度等级设置基本相当

美国ASTM标准中的40级(屈服强度280MPa)、60级(屈服强度420MPa)、75级(屈服强度520MPa)混凝土结构用钢筋，分别与我国的300MPa级、400MPa级与500MPa级钢筋相当。目前，我国建筑用钢筋强度等级设置为300MPa(含335MPa小直径)、400MPa、500MPa是合理的。

(二)高强钢筋的应用要求基本一致

美国规范以60级钢筋作为混凝土结构的主力配筋，带肋钢筋最高强度等级为80级，并在规范中要求以带肋的40级钢筋作为结构的辅助配筋。这与我国目前规范对各强度等级钢筋的应用要求基本一致，即主力配筋应采用400MPa级钢筋，结构中受力大的构件采用500MPa级钢筋，而将300MPa级钢筋(直径小于等于14毫米)作为结构的构造与辅助配筋。但我国钢筋产品标准中没有300MPa级带肋钢筋，目前保留小直径335MPa级带肋钢筋十分必要。

(三)对于光圆钢筋的限用条件比我国要求严格

美国对于光圆钢筋的控制比我国严，目前我国规范中对于柱与梁的箍筋、构造配筋可以采用光圆钢筋，而美国规范仅允许用于钢筋网片与柱的螺旋箍筋。我国梁的箍筋与大量的构造配筋，应采用335MPa级带肋钢筋，对于提高结构与构件的使用性能非常有利。

(四)对于抗震高强钢筋的性能与应用条件基本一致

美国对地震区要求采用ASTM A706标准中的60级低合金带肋钢筋，也可采用ASTM A615标准的碳钢带肋钢筋，包括40级和60级，但其力学性能要符合强屈比与超强比的要求，这点与我国规范对有抗震性能要求的钢筋要求一致，但对钢筋强度控制严于我国要求。我国规范可采用500MPa级钢筋，但500MPa级钢筋的延性要小于400MPa级钢筋，不利于抗震要求。因此，我国应加强500MPa级钢筋应用于混凝土结构的研究，以确保结构的抗震性能。

 (五)高强钢筋的机械连接要求稍低于我国规范

我国与美国的钢筋机械连接形式不同：美国为两个套筒对拧，将连接钢筋的端部锥台压紧，连接方便(连接时钢筋不用转动)、受力可靠，但钢筋端部需要在工厂加工，且套筒成本高；我国采用滚轧直螺纹连接技术，钢筋丝头加工技术已很成熟，套筒成本低，套筒传力可靠，但连接时需转动钢筋才能实现连接操作。

对于机械连接的强度要求，美国规范规定稍低，其接头强度只要求应大于等于1.25倍屈服强度标准值。我国机械连接接头强度等级划分为三级：Ⅰ级——接头强度大于等于钢筋极限强度标准值并钢筋拉断或大于等于钢筋极限强度标准值的1.1倍可断于接头；Ⅱ级——接头强度大于等于钢筋极限强度的标准值；Ⅲ级——接头强度应大于等于1.25倍钢筋屈服强度标准值。Ⅲ级是我国钢筋机械连接强度的最低要求。美国规范要求与我国Ⅲ级要求相当。

(六)高强钢筋的机械锚固要求基本相同

高强钢筋机械锚固要求，两国规范基本相同，都倡导采用机械锚固，以减少高强钢筋的锚固长度、取消高强钢筋弯折锚固。但我国高强钢筋机械锚固起步晚于美国，从施工现场参观可以看到，美国的钢筋机械锚固技术已大量采用。

美国在钢筋端部采取镦头形式，具有受力可靠、成本低、加工速度快等优点，特别适合钢筋的工厂专业化加工。

三、考察总结

(一)几点体会

通过此次考察，对美国高强钢筋应用有以下几点体会。

1.标准规范体系完善，钢筋级别设置合理，对高强钢筋的应用起到了很好的规范、保障和引导作用；

2.高强钢筋应用合理，注重节材的同时也保证了结构安全与质量，不盲目追求高强度；

3.钢铁行业市场成熟，整体装备水平高，高强与低强钢筋价差合理，为高强钢筋应用打下好基础；

4.高强建筑用钢已形成完整的系列产品，生产技术先进，钢材供应链稳定，品种规格齐全；

5. 标准编制、设计、生产、管理等部门在高强钢筋应用技术、认识和操作上都有较高水平，产品研发与技术应用超前。

(二)几点建议

通过对美国高强钢筋应用情况的考察，结合我国实际情况，对加快推广高强钢筋应用提出如下建议：

1.加强高强钢筋生产应用技术研究。为保障工程质量安全，及时总结高强钢筋应用经验，开展混凝土结构可靠度水平、高强钢筋应用的抗震性能与裂缝控制、结构最小配筋率等专题研究，为高强钢筋应用相关标准修订工作提供技术储备。同时，加快500MPa级及以上钢筋生产技术研发，提高钢筋性能，适应我国不同地区对钢筋抗震性能的要求。

2.及时制修订钢筋相关标准规范。美国根据钢筋生产技术发展、材料性能提高、应用技术进步等情况，不断制修订钢筋产品标准和混凝土结构标准，提高钢筋使用强度。我国也应结合钢筋生产应用技术发展情况，及时制修订相关标准规范，并注重标准的协调性。当前，需尽快完成GBl499.2钢筋标准修订，优化钢筋产品级别设置。同时，借鉴美国做法，对《混凝土结构设计规范》GB50010进行局部修订，严格控制光圆钢筋，减少其使用。

3.科学合理使用高强钢筋。借鉴美国钢筋高强化发展经验，在推广应用高强钢筋工作中，以保证工程质量和安全为前提，引导不同地区、不同结构、不同部位科学使用不同强度等级钢筋，防止“一刀切”和盲目“高强化”。

4.完善钢筋连接技术。美国高强钢筋连接和锚固技术成熟可靠，特别是钢筋锚固产品多样，应用广泛。钢筋端部采取的镦头形式和摩擦焊形式，成本低、加工速度快，特别适合钢筋的工厂专业化加工，非常值得借鉴。在我国目前应用还很少的情况下，应加强研究，大力发展专用设备与推广机械锚固。

5.推进钢筋的集中加工配送。钢筋集中加工配送是美国建筑工业化程度高的重要体现之一。钢筋集中加工配送能带来巨大经济和社会效益。近年来我国钢筋加工厂、钢筋配送中心有所发展，但良莠不齐，应在积极推动产业发展，形成适应不同地域实际情况的合理加工规模和配送网络同时，加强生产管理，明确产业链中各环节主体责任，确保钢筋质量，杜绝“瘦身”钢筋。