美国标准钢筋在中国水工混凝土结构 设计规范中的适用性研究

崔玉柱 孙海清 万云辉 刘晓琳

摘要： 在国际水电工程建设中，部分符合中国标准的钢筋尚不能完全适应国际市场要求，为此对中国水工混凝土结构设计规范中采用符合美国标准的钢筋进行探讨。在对比中国标准和美国标准钢筋主要性能参数的基础上，分析了美国标准钢筋在中国水工混凝土结构设计规范中的适用性。研究结果表明：选用美国标准钢筋对中国规范中钢筋混凝土构件进行承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计是可行的;美国标准钢筋与中国标准钢筋在化学成分、可焊性和冷彎性能等工艺要求上的差异不是制约材料选用的原因，设计中通过对与以上性能对应的构造及施工工艺等进行适当调整后，美国标准钢筋可适用于中国水工混凝土结构设计规范要求。

关键词：美国标准钢筋;中国标准钢筋;水工混凝土结构;设计规范;适用性

中图法分类号：TV48文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.011

随着“一带一路”倡议的推进，中国水利和电力行业技术标准将会逐渐走向国际市场，国外的水电工程建设中也越来越多采用中国标准进行设计。水电工程钢筋混凝土结构依据DL/T5057-2009《中国水工混凝土结构设计规范》（以下简称“《规范》”）[1]进行设计时，钢筋材料基于中国标准（以下简称“国标”）确定，材料需要从国内市场进行采购，运输周期长，不仅加大了工程进度计划控制的难度，也大幅提高了材料的成本。相对而言，美国标准（以下简称“美标”）钢筋在国外市场更易于采购，一些国家甚至对进口钢筋存在一定程度的限制。在中国设计标准逐步走向国际市场，而项目所在国钢筋材料市场目前多采用美标的条件下，关于《规范》中采用美标钢筋问题的探讨对于中国标准在国外水电工程的推广应用具有非常重要的现实意义。已有文献[2～4]对美标钢筋与中国钢筋性能对比及互相代换做过较多探讨，本文则是将美标钢筋作为一种新型钢筋，通过研究其在《规范》中的适用性，以期扩大《规范》的适用范围;通过与钢筋性能相适应的局部调整，可按《规范》直接采用美标钢筋进行设计。

中国水工混凝土结构设计中常用的受力钢筋规格为GB1499.2-2007《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》[5]中规定的HRB400钢筋。本文主要以国际市场上生产和应用较为普遍，且与HRB400钢筋强度较为接近的美标（ASTM 615[6]和ASTM 706[7]）60级钢筋为例，探讨美标钢筋在《规范》中的适用性。

1美标钢筋与国标钢筋主要性能参数对比

1.1钢筋规格

表1给出了国标HRB400钢筋和美标60级钢筋的常用直径规格，两者基本能够相互对应，为将美标钢筋应用于中国水工混凝土结构设计提供了较大便利性。

1.2 化学成分

表2为有关中、美标准钢筋化学成分的规定。中国标准钢筋的化学成分要求较美国标准钢筋更为严格，碳含量及碳当量水平更低。

1.3 强 度

对于具有明显流幅的钢筋，中、美标准均将屈服点对应的强度定义为钢筋的屈服强度，曲线上对应于最大强度的点为极限抗拉强度。对于没有明显流幅的钢筋，中国标准取应力-应变曲线上残余应变为0.2%对应的应力为屈服应力，称为条件屈服强度。美国标准按规定应变对应的应力确定，40级和60级钢筋应变取0.5%，75级钢筋的应变为0.35%。

国标HRB400钢筋屈服强度为400 MPa，对应于美标60级钢筋强度为420 MPa，美标60级钢筋强度略高于国标HRB400钢筋。

1.4延性和强屈比

表3为中、美标准规定的钢筋伸长率。

从控制标准来看，美标钢筋的延性指标要求低于国标钢筋，ASTM 706钢筋要求与国标钢筋要求较为接近。

另外，《规范》要求当地震设计烈度为8度、9度设防时，要求纵向受力钢筋的强屈比大于1.25，使结构某部位出现塑性铰以后有足够的转动能力，钢筋的屈服强度实测值与钢筋强度标准值的比值不应大于1.3，以实现强柱弱梁、强剪弱弯。GB1499.2-2007对普通钢筋未做上述规定，但对抗震钢筋HRB400E做出了明确规定，美国标准ASTM 615未对强屈比作出规定，ASTM 706规定强屈比为1.25。

1.5可焊性

钢筋的可焊性取决于材料中碳及各种合金元素的含量。碳当量较高时可焊性较低，超过0.55%时则难以焊接。

GB1499.2-2007和ASTM706中明确了所有牌号钢筋是可焊接的，ASTM 615中的所有牌号未明确是否可焊接，一般不可焊接，还需对其化学成分进行适当调整，与恰当的焊接工艺相结合才可进行焊接。

1.6冷弯性能

钢筋产品标准及混凝土结构施工规范都对冷弯性能有具体要求，钢筋在使用前应通过相应的试验检验。表4为中、美标准对钢筋弯曲和反弯试验的规定。

中、美标准钢筋均须通过弯曲试验，弯曲角度为180°，从弯芯直径看，美国标准ASTM 615的规定较宽松，中国标准更为严格。

1.7 初步结论

通过对中、美标准钢筋主要性能参数的对比分析，初步得出以下结论。

（1）国标HRB400钢筋与美标60级钢筋常用钢筋规格基本对应，对选用美标钢筋进行中国水工混凝土结构设计提供了较大便利性。

（2）美标60级钢筋强度略高于国标HRB400钢筋，但美标钢筋反映延性指标的伸长率的要求低于国标要求，强屈比的规定也有所差异，这些对不同受力条件下钢筋混凝土构件的结构设计或有不同程度的影响。

（3）中国标准钢筋的化学成分要求较美国标准钢筋更为严格，碳含量及碳当量水平更低。

（4）化学成分以及延性指标要求的不同，是造成中、美标准钢筋加工性能差异的主要原因。美标钢筋的可焊性、冷弯性能等相比国标钢筋较差，在工程实施中采用美标钢筋应引起重视，但可通过调整相应的构造及施工工艺满足工程要求。

2 结构计算分析

《规范》中钢筋材料明确以国标钢筋为基础，因此探讨该规范中采用美标钢筋的问题，需要考虑钢筋材料选择对结构计算的影响，从设计角度进一步分析采用美标钢筋的可行性。

2.1钢筋材料参数的选用

在水工混凝土构件结构计算中，涉及钢筋材料的主要计算参数分别为强度、弹性模量及应力-应变关系。

2.1.1 强度

GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[9]规定，取具有95%以上保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值fyk，钢筋强度标准值是规定等级钢筋强度的代表值。

《规范》要求采用钢筋强度设计值fy（抗拉）和fy′（抗压）进行钢筋混凝土结构构件计算。钢筋强度设计值fy是根据钢筋材料分项系数，利用钢筋强度标准值确定，即

[fy=fyk/γs]   （1）

式中，[fyk]为钢筋强度标准值;[γs]为钢筋材料分项系数，考虑了实际中钢筋强度偏离强度标准值的可能性，[γs]取1.1。国标HRB400钢筋的标准强度为400MPa，计算得到强度设计值为363.63MPa，实际规范取值为360MPa;美标60级钢筋对应强度标准值为420MPa（屈服强度），按相同设计原则，强度设计值应为378MPa，美标60级钢筋的强度设计值较国标HRB400钢筋高5%。

2.1.2 彈性模量

《规范》中按正常使用极限状态验算钢筋混凝土构件的裂缝宽度和挠度时，要用到钢筋的变形参数—弹性模量Es。各类钢筋弹性模量差别很小，中、美标准钢筋弹性模量Es均为200GPa。

2.1.3 应力-应变关系

中、美标准采用的钢筋应力-应变关系形式基本一致，见图1。

钢筋屈服之前，钢筋应力和应变呈正比，钢筋应力取钢筋应变与弹性模量的乘积;钢筋屈服后，钢筋的应力保持不变，且不大于其强度设计值。与美国标准相比，中国标准规定了受拉钢筋的允许极限拉应变为0.01，考虑钢筋材料在水工混凝土结构应用中一般不会按允许极限拉应变状态设计，可认为中、美标准钢筋材料的应力-应变关系曲线是一致的。

2.2 美标钢筋的适用性分析

《规范》中钢筋混凝土结构计算主要包括构件的承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算，采用美标钢筋对结构计算的影响详见表5。

从表5分析成果来看，对于钢筋混凝土构件承载能力极限状态计算，主要影响参数是钢筋材料强度及弹性模量。计算公式物理概念明确，过程清楚，适用于美标钢筋。对于正常使用极限状态下构件裂缝宽度验算，采用美标钢筋时与计算公式直接相关的材料参数仅为钢筋弹性模量，公式中大量系数取值基于试验成果总结，且与钢筋性能密切相关，相互关联性不能完全量化，此时分析美标钢筋材料应用影响建议进一步对照ACI 318《美国混凝土结构设计规范》[10]中裂缝开展宽度计算公式进行复核。

此外，《规范》中钢筋混凝土构件的抗震设计主要是增大框架梁和框架柱的延性，遵循“强剪弱弯”“强柱弱梁”“强节点弱构件”等原则，其中明确与钢筋材料参数相关的要求为：地震设计烈度为8度、9度设防时，纵向受力钢筋的强屈比大于1.25，钢筋的屈服强度实测值与钢筋强度标准值的比值不应大于1.3。中国标准对专门的抗震钢筋（如HRB400E）提出指标要求，因此在使用美标钢筋时可参照中国标准对产品提出相应要求，以满足水工混凝土结构设计规范结构抗震设计对钢筋材料的要求。

虽然美标钢筋延性指标低于国标钢筋的规定，但也远大于设计中采用的应力-应变曲线允许极限拉应变值，因此，按《规范》进行设计也是适用的，其中构造要求应与钢筋特性相匹配。

2.3 适用性分析结论

通过对中、美标准钢筋主要性能参数的对比分析以及对《规范》中采用美标钢筋材料的适用性分析，可得到以下基本认识。

（1）美标钢筋直径规格与国标钢筋接近，钢筋强度略高于国标钢筋，有利于在《规范》中按承载力设计值选用美标钢筋材料。

（2）中、美标准钢筋影响结构计算的材料参数中，弹性模量和应力-应变关系基本一致，美标钢筋强度略高于国标钢筋。在水工混凝土结构设计规范中美标钢筋的选用对于进行承载能力极限状态计算是适用的，而进行正常使用极限状态下裂缝开展宽度验算时，由于计算公式中大量系数基于试验成果总结，与钢筋材料性能参数密切相关，影响不可量化，可同时对照ACI 318中裂缝开展宽度计算公式进行复核。就结构计算而言，《规范》中选用美标钢筋材料是可行的。

（3）美标钢筋延性指标低于国标钢筋的规定，但远大于设计中采用的应力-应变曲线允许极限拉应变值，按《规范》进行设计是适用的。

（4）在钢筋混凝土构件抗震设计中会明确对钢筋材料强屈比等提出要求，采用美标钢筋时可按照中国标准对钢筋产品提出相应要求。

（5）美标钢筋的可焊性、冷弯性能相比国标钢筋较差，工程实施中应予以重视，构造要求和施工工艺应与钢筋特性相匹配。

《规范》中选用美标钢筋时，还应重点关注与钢筋混凝土构件设计、实施密切相关的各种构造要求，如钢筋的混凝土保护层厚度、锚固长度、接头方式及要求、钢筋的最小配筋率、抗震构造要求等，设计者应根据具体的工程设计条件，结合钢筋标准和特性提出合适的构造要求和施工工艺。

3 结 语

在“一带一路”倡议的带动下，中国标准将越来越多走入国际市场，国际水电工程建设中也将更多采用中国规范进行设计，探讨中国水工混凝土结构设计规范中采用美标钢筋，能够更好适应当前的国际市场现状，且有利于工程进度控制以及成本节约。在工程的设计与实施过程中，应正确认识在中国水工混凝土结构设计规范中选用美标钢筋材料带来的影响，全面分析其应用可行性，评估可能存在的问题。同时，建议《规范》修编时扩大钢筋材料的适用范围，以推动中国标准更好适应国际市场。

參考文献：

[1] DL/T 5057-2009 水工混凝土结构设计规范[S].

[2] 黄小滇， 赵景发， 刘天宇， 等.  AP1000核电站国标热轧带肋钢筋与常用美标钢筋的代换研究与应用[J].  施工技术， 2013，42（21）： 21-23.

[3] 高迪， 林常青.  中美建筑用钢筋标准及应用对比分析[J].  四川理工学院学报（自然科学版）， 2013，26（4）： 66-70.

[4] 马建超， 高爱平.  中、美钢筋的强度对比研究[J].  城市建设理论研究（电子版），2012（19）：1.

[5] GB 1499.2-2007钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋[S].

[6] A615/A615M -16， Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement [S].

[7] A706/A706M -13  Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement [S].

[8] 贡金鑫， 魏巍巍， 胡家顺.  中美欧混凝土结构设计[M].  北京：中国建筑工业出版社， 2007.

[9] GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].

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

（编辑：李晓濛）

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