根據(jù)鋼筋在地震載荷下的失效模式，鋼筋的抗震性能是以高應變低周疲勞為核心的指標體系，包括應變時效敏感性、低溫脆性、可焊性、強度與塑性的配合。鋼筋抗震性能測試結果說明，釩微合金化與余熱處理鋼筋均能滿足GB 1499.2—2007中對抗震鋼筋的性能要求。但根據(jù)以高應變低周疲勞為核心的抗震性能指標體系，釩微合金化鋼筋的各項指標均優(yōu)于余熱處理鋼筋，特別是應變時效敏感性、韌脆轉變溫度和循環(huán)韌度等方面。
1鋼筋的抗震性能與減震防災間的關系
5.12汶川地震發(fā)生后，抗震減災方面的研究工作引起了社會各界的廣泛關注和各級政府部門的高度重視。抗震減災措施涉及到方方面面，提高鋼筋的抗震性能是其中一個重要方面。
我國是地震多發(fā)國。根據(jù)1990年國家地震局發(fā)布的地震烈度區(qū)劃圖，我國有41%的國土面積、一半以上的城市位于地震基本烈度7度或7度以上地區(qū)，6度及6度以上地區(qū)占國土面積的79%；我國陸地面積占全球陸地面積的1/14，而20世紀實際發(fā)生的6級以上地震次數(shù)占全球的1/3；從地震所造成的損失來說，20世紀全球地震導致120萬人死亡，其中我國有60萬人，占50%。
形成地震重災必須同時滿足四個條件：（1）頻發(fā)的大地震；（2）地震活動區(qū)人口密度大；（3）無預報或預報失準；（4）建筑物抗震能力差。前兩個條件取決于自然和歷史，是人類所不能干預的。目前，地震的預測預報水平還處在較低的水平。因為現(xiàn)代人的大部分時間都處在建筑物內，地震中所造成的人員死亡主要是由于建筑物倒塌所造成的，因此，減少地震災害的主要途徑是采取措施提高建筑物的抗震能力。
影響建筑物抗震能力的因素主要有：建筑物的結構形式和所采用的建筑材料。從建筑物的結構形式來看，目前主要有生土結構建筑；砌體結構建筑（俗稱磚混結構）；鋼筋混凝土結構建筑和鋼結構建筑四種，其控制能力依次增強。目前生土建筑房屋在個別農村地區(qū)仍然存在，這種房屋極易遭地震破壞。砌體結構（俗稱磚混結構）以材料經濟，施工技術、管理、維護簡便等優(yōu)點成為我國應用廣泛的建筑類型，但它強度較低、抗震性能差。近年來，鋼筋混凝土結構以其在結構性能和施工工藝上的眾多優(yōu)點而成為高層建筑結構體系中的重要形式。這種結構以其穩(wěn)定承載力高，構造簡單、連接方便、抗彎性能好和耐火性能好等優(yōu)點日益受到工程界的重視，是當代城市建設的主要結構形式。
從材料學的觀點來看，鋼筋混凝土建筑是由混凝土和鋼筋兩部分組成的復合結構。建筑結構主體承載的是混凝土、磚砌體這類脆性材料只能承受壓力。在以強迫位移為特征的地震發(fā)生時，鋼筋混凝土結構承受的是高應變交變載荷，配置其中的鋼筋則承受了全部的拉力，就像骨架一樣，維系著結構的完整。只要鋼筋不發(fā)生斷裂，建筑結構就不會發(fā)生災難性倒塌，其中的人員就有逃生的機會。汶川地震現(xiàn)場調查結果顯示，由于鋼筋的抗震性能不夠而被拉斷，導致許多房屋構件倒塌；地震中也有許多建筑結構“裂而不倒”、“危而不斷”，從而避免了更大的傷亡，其原因與鋼筋優(yōu)良的抗震性能直接相關。因此，改善鋼筋的抗震性能對于提高整個建筑物的抗震能力具有十分重要的意義。
2鋼筋在地震載荷下的失效模式
鋼筋抗震性能的提出是以其在地震載荷作用下的失效模式為基礎的。地震是一個突發(fā)性的能量釋放過程。地震時建筑物承受的載荷具有瞬時性、交變性和隨機性等特點。發(fā)生在日本東京芝浦宮城縣沖及伊豆半島東方沖的地震紀錄及三個觀察點分別記錄的地面傅立葉波譜（Fourier Spectrum）說明，震動最大頻率在2Hz左右。1976年四川松潘地震記錄與此相似。1976年唐山地震和2008年四川汶川地震時，震動頻率都也是2Hz左右，強震持續(xù)時間在2min以內，如美國Elcentro地震為10s、唐山地震23s、松潘地震3s、日本阪神地震20s、日本東京芝浦地震為30s～40s。地震時，先是縱向震動幾秒鐘，然后橫向震動，對建筑物的破壞主要是橫波。美國Elcentro地震中記錄的地震波譜說明，地震載荷為隨機的交變載荷。對唐山地震遺址調查時，見到了河北礦冶學院一座四層樓的圖書館大樓，在高速度橫波高的循環(huán)應變作用下，底層完全坍塌，一座4層樓的建筑垂直下降變?yōu)?層。基于這些事實和對唐山地震遺址所取鋼筋樣品的失效分析結果，可以確定建筑結構在地震載荷下的失效模式主要是高應變低周疲勞失效。
3鋼筋的抗震性能指標體系
根據(jù)鋼筋在地震載荷下的失效模式，經過多年的研究，鋼筋的抗震性能是指以高應變低周疲勞抗力為核心的性能體系，包含以下五個方面。
(1)高應變低周疲勞壽命及循環(huán)韌度
高應變低周疲勞抗力，尤其是在疲勞壽命Nf100周～200周的疲勞抗力，對提高鋼筋的抗震性能十分重要。為了衡量鋼筋的高應變低周疲勞抗力，用“循環(huán)韌度”來度量。所謂循環(huán)韌性，就是指在疲勞壽命Nf＝100周時，所對應的應力幅骯與此時的總應變范圍膩t的乘積，即骯啄錿，其物理意義為地震時，鋼筋所吸收的能量大小。
將鋼筋抗震性能當作高應變低周疲勞問題來處理觀點的提出，得到了國際學術界的承認。
(2)應變時效敏感性
目前我國所用的鋼筋多為C-Mn-Si系列。這類鋼具有較高的應變時效敏感性。在施工時，鋼筋不可避免地要發(fā)生一定的局部塑性變形，如冷彎。目前廣泛應用的預應力鋼筋在施工時要求對鋼筋進行整體塑性變形。經過塑性變形的鋼筋，在隨后的使用過程中，鋼筋將會發(fā)生應變時效效應，導致鋼筋的塑性和韌性降低、強度和脆性增加。通常認為，室溫下應變時效敏感性主要是由鋼中自由氮原子引起的。自由氮原子在鋼中集聚在位錯周圍，釘住位錯，塑性變形時，位錯脫離氮原子的釘軋，時效時，氮原子重新釘住位錯，使位錯運動受阻。新西蘭已經發(fā)生多起因應變時效而引起的脆性斷裂事故。因而強調指出，應變時效敏感性高的鋼筋不能用于地震設防區(qū)內的建筑結構。鋼筋的應變時效敏感性用應變時效后鋼筋抗拉強度的升高率U和延伸率的降低率E來表示。對應變時效敏感的鋼筋，延伸率可降低10%～40%，沖擊韌性可降低40%～60%。同時脆性斷裂趨勢大大增加，從而降低鋼筋的高應變低周疲勞性能。地震時鋼筋將發(fā)生脆性斷裂，導致建筑物的倒塌。另外，應變時效后鋼筋處于強化態(tài)，在高應變循環(huán)變形過程中產生循環(huán)軟化，導致吸收地震能量的能力大大降低，對抗震不利。
建筑結構中的鋼筋具有不可替換性。因此，要求地震設防區(qū)新建工程所用的鋼筋，其應變時效敏感性必須低，否則將在工程中留下隱患。
(3)冷脆性及韌-脆轉變溫度
（DBTT）
我國地震設防區(qū)的分布很廣，其中包括一些冬天寒冷的地區(qū)和城市，如北京、沈陽、長春、包頭和烏魯木齊等。這些地區(qū)的最低溫度可能達到-30℃～-40℃。而鋼筋的韌性是隨溫度而變的，當環(huán)境溫度降低時，鋼筋的韌性隨之降低。當環(huán)境溫度降低到一定溫度以下時，鋼筋將由室溫下的韌性狀態(tài)轉變?yōu)榈蜏叵碌拇嘈誀顟B(tài)。若此時地震發(fā)生，就有可能由鋼筋的冷脆性引起建筑物的倒塌。國內外因鋼材冷脆性引起的災難性事故，已發(fā)生多起。
(4)焊接性能
焊接性能是鋼筋重要的工藝性能。焊接后，焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能將發(fā)生變化，成為鋼筋中的薄弱環(huán)節(jié)，在地震發(fā)生時極有可能在焊接接頭發(fā)生災難性地斷裂。唐山地震時，一座電廠有多處從焊縫開裂造成建筑的破壞。焊接接頭由熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成。熔合區(qū)最大的特征是具有明顯的化學成分不均勻性，引起組織的不均勻性，可見貝氏體、馬氏體和貝氏體+馬氏體的復合組織，因而常常是焊接接頭最薄弱的環(huán)節(jié)。在高應變低周疲勞載荷作用下，斷裂大部分發(fā)生在焊接熔合區(qū)。在對Ⅲ級鋼筋進行可焊性試驗時，發(fā)現(xiàn)了斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)的拉伸斷口，呈明顯的脆性斷裂特征。鋼筋的焊接性能主要決定于含碳量和碳當量Ceq、焊縫及熱影響區(qū)的最高硬度Hmax等。為了獲得高的抗震性能，應該保證焊后拉伸試驗時，斷裂性質為韌性斷裂，斷口位于母材，且與母材處于同一強度、塑性水平。
(5)強度與塑性的配合
鋼筋的高應變低周疲勞性能與其靜拉伸強度和塑性有關。按照傳統(tǒng)的Coffin-Manson理論認為，高應變低周疲勞抗力主要決定于材料的塑性。但大量的試驗結果證實，材料的強度對低周，尤其是Nf100周～200周的疲勞抗力也起著重要的作用。因此，塑性高而強度過低或強度高塑性過低的鋼筋，均不利于抗震性能的提高。但是，塑性較高的鋼筋在地震時可以起到“塑性鉸鏈”的作用，使建筑物裂而不倒。同時，隨著高層建筑的發(fā)展，要求鋼筋具有高的強度，故應綜合考慮，使強度和塑性間存在良好的配合。
按照以上鋼筋的抗震性能指標體系，對采用釩微合金化和軋后余熱處理生產的HRB400鋼筋的抗震性能進行了測試，并對其進行了對比分析，供設計部門在鋼筋選材時參考。
4試驗材料和試驗方法
(1)試驗材料
試驗材料為強度等級為400MPa、規(guī)格為￠20mm的熱軋帶肋鋼筋。其中1號為V-Fe微合金化鋼筋，2號為余熱處理鋼筋。
釩微合金化鋼筋的軋制工藝基本參數(shù)為：
鋼坯加熱溫度：1120℃±20℃；均熱溫度：1070℃±20℃；出爐溫度：1000℃±20℃；進粗軋溫度：950℃±20℃；進精軋溫度：860℃±20℃；軋后空冷。
余熱處理鋼筋的軋制工藝參數(shù)為：
開軋溫度：1050℃，軋后穿水；上冷床溫度：740℃～760℃；軋制速度：13m/s；采用雙切分軋制工藝。
鋼筋的邊緣可見由穿水冷卻而形成的回火組織，其厚度為1mm～1.5mm。
(2)試驗方法
拉伸和應變時效試驗按國家有關標準執(zhí)行，試樣為未加工的鋼筋樣品。應變時效采用人工時效的方法，對鋼筋產生10%的預應變后，在100℃下時效3h。
腅和腢分別代表由于應變時效而產生的延性降低率和強度升高率。
對鋼筋樣品進行了閃光對焊試驗。試驗參照JGJ 18—2003《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》進行。所采用的焊機型號為UN100，額定容量為100 kVA，初級電壓為380 V，級數(shù)為8。焊接時，調整伸長度、燒化留量、頂鍛留量及變壓器疊數(shù)等符合規(guī)程要求。
將試驗鋼筋加工成標準的夏氏V形缺口試樣，進行系列沖擊試驗，測定試驗鋼筋的韌脆轉變溫度DBTT。試驗采用乙醇加液氮降溫，達到設定的溫度后，保溫20min左右，使內外溫度均勻。根據(jù)相關標準，冷卻溫度與設定溫度之差（過冷度）取2℃～4℃。根據(jù)系列沖擊試驗結果，繪制沖擊曲線。韌脆轉變溫度DBTT（J27）采用能量法從沖擊曲線上獲取（取沖擊功AKV＝27J時所對應的溫度）。
在Instron Model 1342液壓伺服材料試驗機上進行高應變低周疲勞試驗。試驗過程中采用12.5mm的軸向引伸計控制總應變范圍錿恒定，分別取為2%、3%、4%和5%，通過模擬-數(shù)字轉換器，用計算機自動采集試驗數(shù)據(jù)（應力響應），采樣頻率為每周100個點。試驗在室溫下進行。循環(huán)波型為正弦波，加載頻率為0.1Hz～0.4Hz。考慮到數(shù)據(jù)的分散性，相同參數(shù)的試驗點數(shù)3。
5試驗結果與討論
釩微合金化鋼筋的應變時效敏感性明顯低于余熱處理鋼筋，特別是鋼筋延性的減低率只有1.4%，而余熱處理鋼筋延性的減低率為12.8%。其原因主要是微合金元素釩的加入，吸收了鋼中自由的間隙元素N和C，防止了間隙元素在位錯線周圍的釘扎，起到了凈化基體的作用。釩微合金化鋼筋中的V、N比為7.0，而余熱處理鋼筋中不含V，沒有抑制應變時效的作用。可見較低的應變時效敏感性對于保證經一定時間使用后的鋼筋仍然保持高的延性、提高鋼筋的抗震性能具有十分重要的意義。
微合金化鋼筋的常溫、低溫沖擊韌性優(yōu)于余熱處理鋼筋，特別是常溫沖擊韌性。兩種鋼筋的韌脆轉變溫度分別為-40℃和-36℃。這與微合金化鋼筋具有較低的含C量和較細晶粒尺寸有關。
兩種鋼筋在應變控制模式下（t＝4%）的應力-應變滯后環(huán)，曲線封閉、光滑，說明應變控制過程良好。根據(jù)應力-應變滯后環(huán)得到的應力響應特征曲線（應力幅值與循環(huán)周次的關系曲線）。
兩種鋼筋的應力循環(huán)響應特征類似，在應變恒定的條件下，應力幅值基本保持不變，屬于循環(huán)穩(wěn)定材料。
根據(jù)從半壽命應力-應變滯后環(huán)上所測得的彈性應變幅錯a、塑性應變幅錺a和應力幅骯，可以通過Hollomon公式對循環(huán)應力-應變關系進行數(shù)值擬合，無論是循環(huán)應變硬化系數(shù)還是循環(huán)應變硬化指數(shù)，釩微合金化鋼筋都比余熱處理鋼筋高，說明釩微合金化鋼筋的循環(huán)應變硬化能力比余熱處理鋼筋強。
循環(huán)韌度是代表鋼筋抗震性能的主要指標。釩微合金化鋼筋的循環(huán)韌度值是余熱處理鋼筋的1.27倍，即在余熱處理鋼筋循環(huán)韌度的基礎上，提高了27%。微合金元素釩的加入，在鐵素體中細彌散地析出釩的碳氮化物，使循環(huán)塑性變形均勻分布，推遲了疲勞的裂紋。同時細化了鐵素體晶粒，增加了總的晶界面積，一方面可以通過晶界阻礙疲勞裂紋的擴展；另一方面使晶界上的有害元素偏聚程度降低。這些因素都對提高鋼筋的高應變低周疲勞性能和循環(huán)韌度有利。
6結論
在我國開發(fā)具有高抗震性能的鋼筋，對于提高鋼筋混凝土建筑的抗震能力、進一步減少地震所造成的人員和財產損失具有十分重要的意義。
鋼筋在地震載荷下的失效模式為高應變低周疲勞。鋼筋的抗震性能應是以高應變低周疲勞性能為主的指標體系，包括應變時效敏感性、低溫脆性、可焊性和強度與塑性的配合。
試驗所用的釩微合金化鋼筋和余熱處理鋼筋均滿足GB 1499.2—2007中對抗震鋼筋的性能要求，釩微合金化鋼筋的最大力總延長率高于余熱處理鋼筋，但強屈比低于余熱處理鋼筋。
從以高應變低周疲勞性能為核心的抗震性能指標體系來看，試驗所用的余熱處理鋼筋的抗震性能不如釩微合金化鋼筋，特別是在應變時效敏感性、循環(huán)韌度和韌脆轉變溫度等方面差距較大。
