以优质钢材适应预应力技术发展的需求
摘要：本文叙述了预应力钢材的分类、特点、应用领域，分析了2008年北京奥运的市场机遇，及预应力材料21世纪的发展动向。
关键词：预应力钢材 市场 预应力技术
建筑钢材是钢铁产品中量大面广的品种，其质量、价格等关系到国计民生，影响面不容忽视。建筑钢材主要用在混凝土结构中，它分普通钢筋和预应力钢筋（材）两大类，总称混凝土结构用钢筋。预应力钢筋（材）在混凝土结构中主要承受拉力，由于受力需要，混凝土结构对预应力钢筋提出一系列性能要求：
（1）要有足够的抗拉强度；
（2）均匀的应力应变曲线，即有较好的韧性（延性）；
（3）好的抗疲劳与抗应力腐蚀能力；
（4）能适应不同的预应力体系；
（5）有较低的应力松弛损失；
（6）好的经济性，即高的强度价格比。
我国的预应力钢材起步于上个世纪50年代中期，迄今已有近半个世纪的历史。到目前，我国预应力钢材有如下品种：低碳冷拔钢丝；冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级热轧钢筋；冷轧扭钢筋；冷轧带肋钢筋；预应力钢丝（光面、刻痕、螺旋肋、普通松弛级和低松弛级）；预应力钢绞线（1*2、1*3、1*7，普通松弛级和低松弛级）；钢丝束、钢绞线无粘结预应力筋；PC钢棒；热处理钢筋；精轧螺纹钢筋。近年来，非金属材料的预应力筋（碳纤维、玻璃纤维等）正在迅速崛起。
在预应力钢材品种中，低碳冷拔钢丝和冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级热轧螺纹钢筋是我国预应力混凝土技术刚起步的产物。20世纪50-60年代，我国钢材奇缺，当时建设又需要大量钢材，因此，能节省一定钢材的低碳冷拔钢丝和冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋就应运而生，但这两个品种经冷拉提高了钢材强度，却牺牲大量钢材延性，因此经常导致无预兆的构件脆断。在此次混凝土结构设计规范修订时，以上经冷拉来提高强度的钢材品种已不列入规范之中。
预应力钢材中，应用最多、最广的是预应力钢丝和预应力钢绞线。他们具有以下5个特点：
（1）强度高。预应力钢丝、钢绞线与其他建筑钢材强度比较如表1所示。
从表1中可见，1t预应力钢丝、钢绞丝的设计强度分别为HRB335钢筋的3.5-4.40倍，为HRB400钢筋的2.89-3.67倍。预应力混凝土结构比普通钢筋混凝土结构可节约大量钢材，这就是当年所说的“一顶三”钢材。
表1 各种建筑钢材强度对比
| 钢材品种 | 抗拉强度
≮σbMPa |
屈服强度
≮σbMPa |
设计强度
MPa |
与HRB335（Ⅱ）
对比结果 |
与HRB400（Ⅱ）
对比结果 |
| HRB235 | 370 | 265 | 210 | 0.70 | 0.58 |
| HRB335 | 490 | 335 | 300 | 1.00 | 0.83 |
| HRB400 | 570 | 400 | 360 | 1.00 | 1.00 |
| 预应力钢丝 | 1470 | 1250 | 1040 | 3.47 | 2.89 |
| 1570 | 1330 | 1110 | 3.70 | 3.08 | |
| 1670 | 1410 | 1180 | 3.93 | 3.29 | |
| 预应力钢绞线 | 1770 | 1500 | 1250 | 4.17 | 3.47 |
| 1860 | 1580 | 1320 | 4.40 | 3.67 |
（2）延性好。我国是多地震区，震害时主要依靠钢筋的延性使结构变形，吸收地震能量。对抗震设计的原则是：小震不坏；中震可修；大震不坍（倒）。
高强预应力钢丝、钢绞线的延性指标均匀伸长率δgt可达4%-6%，而冷拉钢筋的δgt均小于2.5%。先进的国际标准已将钢筋按延性分类，作为受力钢筋的最小均匀伸长率不应小于2%，考虑抗震和塑性设计的高延性钢筋，其均匀伸长率不应小于5%，考虑钢筋延性对破坏形态的影响，国外将高强预应力钢丝、钢绞线作配筋的预应力构件称为“韧性构件”，可用在抗震和考察塑性内力重分布的场合。
（3）应力松弛性能。高强预应力钢筋中，加工工艺性能决定了PC钢棒和热处理钢筋属于低松驰级。预应力钢丝、钢绞线分普通松弛级（Ⅰ级）和低松弛级（Ⅱ级）。应力松弛值与钢筋的使用应力、使用温度、使用时间有关。当使用低于0.5σb时，混凝土结构设计中预应力钢筋的应力松弛损失值取为零。
在混凝土结构设计中，预应力钢筋的应力松弛损失计算如下式：
普通松弛级预应力钢丝、钢绞线：
σ14=0.4Ψ（σcon/fptk-0.5）σcon
低松弛级预应力钢丝、钢绞线：
当0.7fptk＜σcon≤0.8fptk时
σ14=0.2（σcon/fptk-0.575）σcon
式中：σ14――预应力钢筋的应力松弛引的预应力损失值。
Ψ――超张拉系数。一次张拉Ψ=1，超张拉Ψ=0.9。
σcon――张拉控制应力。
fptk――预应力钢筋强度标准值。
当σcon=0.75fptk时，低松弛级预应力钢丝、钢绞线的计算预应力损失值（σ14）为普通松弛级的35%。由此可见，低级松弛级预应力钢丝、钢绞线应大力推广使用。
（4）强度价格比。各种钢筋的强度价格比见表2。预应力钢丝、钢绞线的性能价格比较高，其单价虽高，但应用起来还是合算的。也可知中强预应力钢丝还有一定的市场。
表2 各种钢筋性能价格比
| 品种 | 标准强度,MPa | 设计强度,MPa | 价格(元*t-1) | 强度价格比t*MPa*元-1 |
| HRB235 | 235 | 210 | 2400 | 0.088 |
| HRB335 | 335 | 300 | 2600 | 0.115 |
| HRB400 | 400 | 360 | 2800 | 0.129 |
| 1270螺旋肋钢丝 | 1270 | 900 | 2700 | 0.333 |
| 1470螺旋肋钢丝 | 1470 | 1040 | 2900 | 0.359 |
| 1570钢丝 | 1570 | 1110 | 2800 | 0.396 |
| 1570钢绞线 | 1570 | 1110 | 4000 | 0.278 |
| 1860钢绞线 | 1860 | 1320 | 4300 | 0.307 |
| PC钢棒 | 1420 | 970 | 3600 | 0.269 |
（5）疲劳强度。普通钢筋和预应力钢筋的疲劳应力幅限值见表3.由表3可见预应力钢筋的抗疲劳性能优于普通钢筋。
表3 普通钢筋和预应力钢筋的疲劳应力幅限值
| 疲劳应力比值 |
疲劳应力幅限值,MPa |
||||
| HRB335 | HRB400 | 1570光面钢丝 | 1570刻痕钢丝 | 1860钢绞线 | |
| 0.7≤ρf＜0.8 | 65 | 70 | 200 | 180 | 105 |
| 0.8≤ρf＜0.9 | 40 | 45 | 130 | 120 | 105 |
由于预应力钢材的诸多优点，使它在混凝土结构中的应用日益广泛，预应力技术已遍及混凝土结构的各个领域，如单层和多层工业厂房、多层和高层建筑、预应力基础（箱式、板式及筏式）、预应力看台、建筑物的加固及改造、预应力钢结构、铁路和公路各式桥梁、城市立交桥、电视塔、混凝土简仓、水塔、污水处理池、核电站的安全壳、海洋石油平台、岩土锚固工程、水利水电工程（闸墩、导流洞、排砂洞、发电洞、堤坝加固等）、预应力砼标准构件（轨枕、电杆、输水管、吊车梁、大层型面析、空心楼板、V型折板、马鞍型双曲屋面板等），近年来发展了预应力引水工程的渡槽等新型预应力结构。
预应力技术除在砼结构中有广阔的应用领域，还在钢结构上大有用武之地，出现了预应力钢结构，他们是预应力网架结构、预应力网壳结构、悬索结构、索膜结构及张拉结构等，预应力钢结构主要应用在大型体育场馆中。原先的体育场馆只可容纳几千甚至上万观众，现在大型体育馆一般为3万-6万观众，有的可容纳8万-9万观众，如此次2002年在日-韩举办的世界杯足球赛，日本就有10座可容纳4.3万至6.3万位观众的体育场。韩国也有10座4.3万-7万位观众的体育场馆。这些体育场都采用了预应力钢结构。2008年，在我国举办的北京奥运会计划建37个体育场馆，其中32个在北京，（新建19个，改建13个），另外5个分别在天津、上海、青岛、秦皇岛、沈阳。总投资达16.5亿美元。此外，还有1800亿人民币投资用于对北京的城市基础设施进行建设（也有说是2300亿），重点建设143个项目，其中有900亿用于交通建设，建设铁、轻轨、高速公路，机场等四通八达的快速交通网络。在奥运工程的带动下，各省、各大城市都要开展全民健身活动，促使兴建许多体育场馆，改善城市基础设施，建设快速交通网络。今后十几年内将给预应力钢材市场提供一个巨大商机。
面对如此巨大的商机，面对预应力技术的飞速发展，预应力钢材生产厂家应很好的把握此次机遇，珍惜这次机遇，首先要用高质量的预应力钢材供应市场，不用劣质原材料，不搞以次充好，不要害已又害人。另外，要积极开发新产品以适应预应力技术的发展，跟上国际预应力钢材发展的潮流。
从2001年9月fib C9委员会上海会议得知，目前国际上预应力钢绞线已形成系列化,如表4所示。除已有的1*2、1*3、1*7结构预应力钢绞线外，还开发出1*19的大直径预应力钢绞线，直径为Φ21mm、Φ26mm、Φ28mm、Φ31mm。具体结构为1+9+9（西鲁式），和1+6+6/6（瓦林吞式），这些大直径预应力钢绞线用在大承载、大跨度、大长度的跨海大桥上是很适宜的。
表4 预应力钢绞线系列化
| 预
应 力 钢 绞 线 |
光面无镀层预应力钢绞线 | 光面无镀层钢绞线 |
| 无粘结预应力筋 | ||
| 缓粘结预应力筋 | ||
| 镀锌预应力钢绞线 | 镀锌预应力钢绞线 | |
| 无粘结预应力筋 | ||
| 环氧涂层预应力钢绞线 | 环氧涂层预应力钢绞线 | |
| 无粘结预应力筋 | ||
| 锌-铝-稀土镀层预应力钢绞线 | 锌-铝-稀土镀层预应力钢绞线 | |
| 无粘结预应力筋 | ||
| 刻痕无镀层预应力钢绞线 | ||
国外专家对21世纪的预应力技术发展进行预测，许多人认为：将开发高强度、高耐久性（抗腐蚀）的钢材；开发六角开套管和六角形预应力钢绞线加以组合提高空隙率，改善灌浆的填充性；随着材料高强度化，将出现极细的预应力材料；开发自己收缩的自应力张拉材料，无需施加预应力；把形状记忆合金作为施加预应力的张拉材料；开发网格状的张拉材料，可以从四面八方同时施加预应力。
作者简介：张 敬,女，1973年8月出生，天津高力预-预应力钢绞线有限公司市场部工程师。
刘立军，1965年2月出生，天津高力预-预应力钢绞线有限公司技术质量部高级工程师。
朱 龙，1940年8月出生，教授级高级工程师，天津市钢线钢缆集团公司总工程师。
