螺纹钢筋横肋考

摘要：螺纹钢减少95%的横肋并消除纵肋，对我国而言，每天将节约2万吨左右钢材，同时具有简化生产工艺，提高钢筋伸长率，增强钢筋疲劳性能，方便直螺纹制作，避免削除纵肋造成钢筋直径损失等优点。圆钢、钢丝的使用史和在用史以及在结构件破坏时都呈缩颈断裂，我们减少横肋后钢筋拉拔和相关专家对圆钢的拉拔实验，都证明了上述两种钢筋在结构件中的稳定性，减少横肋后混凝土结构件不会产生钢筋的滑动破坏，完全安全可行，留存适量横肋握裹力更强。

关键词：减少横肋；大量优点；可行性；实验数据；握裹力

The research on the cross rib of the rebar

Cao Quan xing

(Baosteel,shanghai 200940 china)

Abstract:The rebar reduces the cross ribs by95%.For our country,it will save about 20,000tons of steel every day.At the same time,it can simplify the production process,improve the elongation of steel bars,enhance the fatigue performance of steel bars,facilitate the production of straight thread,reduce the loee of diameter caused by longitudinal rib and so on.The history of the use of round steel,steel wires ae well as the damage in the structural parts appeared to be necrotic fracture.After we reduce the cross ribs ,the drawing experiments of round steel made by the ribs steel and related experts have proved that the stability of the above two kinds of steel in structure.it reduced the steel sliding failure of cross ribs,completely safe and feasible.lt retained a small amount of cross rib grip of more force and more reliability.

Keywords:reduce rib;merit;feasibicity;experimental data;bond strength

一.开展螺纹钢横肋问题研究的必要性

现国家标准GB1499规定，螺纹钢筋横肋间的公称距离不得大于其母筋直径的0.7倍。即钢筋直径的0-0.7倍。我们知道这个距离如果越来越小，则会趋向于圆钢，显然其握裹力会变小。实测表明，一些螺纹钢横肋间距为母筋直径的0.4到0.5倍。经宝钢专家和本人向标准的制定单位咨询，均不知该规定的理由，因此这个螺纹钢横肋间距的标准是存在缺陷的。

据网载，目前我国螺纹钢的年消费量达到了1.8亿吨左右，可谓巨大。将一根重352.6克的螺纹钢打磨掉95%的横肋，减重14克，经计算，横肋占钢筋的比重为4%左右。这样，1.8亿吨螺纹钢横肋约重720万吨以上。如果经论证横肋减少95%而钢筋的各种技术性能、握裹力仍能充分满足使用要求，则每年节约钢材约700万吨是可行的。减少横肋后，轧辊的制作变的容易，工艺趋于简单。

很多专家和企业的研究证明［1］，螺纹钢横肋和基材结合处因很多原因容易产生微裂纹，增加消除成本后仍难以根本解决，从而使钢筋的抗拉、抗弯性能降低，影响工程质量。横肋大幅减少后使得此难题自解和易解。

因此，减少横肋如可行则可节约大量钢材、简化生产工艺并可提高钢筋质量。故对此开展研究有重大意义。

二.圆钢在结构件中的稳定现象及成因

我们在生活中看到，很多旧建筑的混凝土中使用的都是圆钢，在拆除倒地时钢筋会崩断，而看不到钢筋从混凝土中被拉出。五、六十年代建造的厂房大型屋面板大多采用圆钢，几十年的使用表明也是安全可靠的。由此我们想到圆钢在结构件中所受到的握裹力是否已经足够？即使在受到极大破坏力即钢筋被拉断时，圆钢也不会在混凝土中滑动？在通常情况下，答案应该是肯定的。只有在钢筋埋入混凝土极浅、混凝土强度等级极低的情况下，圆钢拉出现象才会发生。一些专家学者对混凝土握裹力的实验，印证了这个答案，可以解释和论证这种现象。对现象进行研究，从而发现机理，如青霉素，是人类的一个法宝。

河北农业大学城建学院土木工程系教授孟志良等对圆钢在C30级混凝土中的握裹力作了一个拔出试验［2］，采用10毫米HRB335圆钢埋入在深度150毫米的混凝土中，当施加力P到达22.24千牛约等于2200公斤时，圆钢被拔出。

从钢筋的屈服强度可计算出拔断混凝土中圆钢所需的握裹力。以10毫米上述钢筋为例。根据这种钢材的设计标准，其屈服点在34公斤/平方毫米，则整个钢筋的屈服点在2550公斤（钢筋截面积*34公斤/平方毫米）。孟志良教授的试验结果为10毫米钢筋埋深150毫米时握裹力为2200公斤，而握裹力可通过钢筋埋的深度来增加，有2200：150=2550：？计算得174毫米。就是当该钢筋埋深到174毫米时，到达钢筋屈服的临界点。对直径40毫米的圆钢也可计算出其屈服临界点所需埋入的深度。仍以上述钢种为例。屈服点为：34公斤/平方毫米*截面积=34*3.14*400=42704公斤。由孟教授之试验得知圆钢在混凝土中的握裹强度为：2200公斤/握裹面积=2200/3.14*150*10=0.467公斤/平方毫米。所以埋入深度L=42704公斤/（0.467公斤/平方毫米*3.14*40毫米）=728毫米。

以上计算结果说明了圆钢在混凝土中的稳定性。10毫米的圆钢仅需埋入174毫米，40毫米的圆钢仅需埋入728毫米，10至40毫米的圆钢在两者之间。钢筋越粗，埋入需越深。工程上，梁的应力最大值在中间，故用40毫米的钢筋做梁长度大于1456毫米理论上是不会被拔出的。而实际上用到40毫米的钢筋其梁可能已经到达14560毫米长度了（10倍，一般钢筋的抗拉强度是屈服强度的1.3倍，据此可得知混凝土对圆钢的握裹力大约是钢筋抗拉强度的10/1.3=7.7倍）。其稳定性可想而知。

理论与实践都证明了圆钢的稳定性，那为何还要那么密集的横肋？这是一种认知上的谬误和对安全、牢靠的期望。就如同上世纪六十年代自行车前叉都要装保险杆，而现在已看不到了。电杆用筋经历了圆钢、螺纹钢、最后定格于比圆钢还滑的碳素钢丝，而电杆皮薄，日晒雨淋、严寒高温、震动等工作环境都劣于建筑用钢的处境，在整个生命周期中也屹立不倒，也充分说明减少横肋没有问题，不会产生滑动。

横肋的唯一作用是防止钢筋在混凝土中滑动，我们已经证明圆钢（横肋为零）在一般使用长度和混凝土质量下在结构件中不会滑动，减少横肋就应该没有问题。

钢筋外形系数是握裹力的重要、目前唯一的表征，依据“混凝土结构设计规范”，圆钢外形系数为0.16，螺纹钢0.14，仅增强14.2%，也有力、充分说明横肋过密对握裹力贡献不大。

三．减少横肋的更多可行性

钢筋的抗拉强度主要取决于截面积，而只要在该钢筋的1/2长度上使得横肋贴附在钢筋上的底面积等于钢筋的截面积，其抗拉强度就可相等。这是因为，钢筋在结构件中最大受力点在中间，这个最大受力点受到的力需要两边的混凝土给钢筋的握裹力来支撑，即两边的握裹力应大于钢筋中间受到的力。10毫米的钢筋截面积为75平方毫米，每对横肋贴附在母筋上的底面积约为25平方毫米，故只要3对其截面积就相等了。经过计算，一根长度6米，直径18毫米的钢筋在其1/2长度即3米的距离上只需10对即每300毫米1对横肋即可。而现螺纹钢横肋多达240对。这就从理论和实践上都证明大量密集的横肋其实使得握裹力产生冗余。因此减少横肋每年节约700余万吨钢材的设想是现实的。

一位从事钢筋锚固性能研究十余年的中国建科院老教授指出，只看见混凝土被拉掉，没看见横肋被拉裂的。也说明横肋的强度已远超混凝土。钢筋和混凝土的结合相当于螺栓和螺母，现在螺杆螺丝太强，螺母总是滑丝，需要减少螺栓螺纹增加螺母强度，螺栓螺丝再强螺母滑丝也是没用的。钢材的抗拉强度是混凝土的300倍左右，而现横肋和肋间混凝土的面积比大约为1:3，匹配明显不合理。打磨掉横肋后可清楚的看到，横肋面积和肋间面积比8毫米螺纹钢为2毫米：2毫米，18毫米为4:5左右。（因为横肋的根部较宽）。在现行规制下，横肋太密，石子难以进入肋间，进入的是砂浆而不是标配混凝土，强度降低，由于石子和横肋的阻隔，肋间也容易有空隙，因而降低了握裹力。故可以说，适当减少横肋由于石子进入肋间反而增强了钢筋和混凝土的咬合力。以往国内外均忽略了肋间混凝土的受力情况。

笔者做了一个实验。4组试块，所用钢筋为8毫米HBR400螺纹钢。水泥型号32.5，较弱。4根未处理，4根分别打磨掉83%、90%、93%、95%，对应埋入深度7.5、6.5、8.4、12cm4组。处理后的总拔出力58.43千牛，原螺纹钢65.29千牛，略大于处理的。4组均为混凝土试块破坏。

去除83%的由于埋入有2节横肋，拔出力为20.23千牛，大于各组平均值。其余均在钢筋根部留一节，埋入混凝土中。

受试钢筋的屈服强度为20千牛。

三个结论。

1.在如此浅的试块中，减少横肋后钢筋的拔出力已接近钢筋的屈服强度，充分说明可以减少。和有关专家圆钢实验吻合，并证实留少量横肋咬合力较之圆钢大大增强。

2.减少后和原钢筋咬合力相差不大。去除83%的反而增强，与石子进入肋间并有两节横肋与石子接触有关。

3.减少后横肋仍强于肋间混凝土，拔出时留存横肋保持原样，而混凝土碎裂或呈粉状挤出。

可以看到，在结构件中，有3个力在较劲。钢筋的抗拉强度；混凝土的握裹力；横肋和肋间混凝土的强度比。上述研究均证明钢筋的抗拉强度最弱，减少横肋后未改变此结论；减少横肋后咬合力影响不大，减少适度，反而增强。

很多国内外对钢筋进行的疲劳试验证明，断裂点大多在横肋和母体的结合处，说明横肋降低了钢筋的疲劳性能。（韩国的圣水大桥因钢筋疲劳性能问题而垮塌。）在结构件中和空气中实验结果一致［3］［4］。减少后，此情形将得到极大纠正。经拉拔实验，减少横肋后，钢筋的伸长率提高（因横肋处不易拉伸），有利抗震。钢筋的抗拉强度和屈服强度不变。焊接性能不变，稍易焊。

带肋钢筋横肋的位置其直径变粗，因此，当钢筋受力时，变形不一致，所以过密的横肋还会造成钢筋的不均衡疲劳。资料证明螺纹钢受力时其应力集中在横肋根部，应力和前述微裂纹的叠加，极易造成钢筋断裂，也是钢筋疲劳性能降低的原因。同时，钢筋横肋处混凝土保护层相对薄，不利于钢材的防锈。因此合理减少横肋后钢筋的性能优于现钢筋且造价低。横肋存在严重负面作用。

由于纵肋，施工时，螺纹钢弯曲有方向性，圆钢无此问题。而纵肋设置的目的是为了改善横肋的受力性能，减少凸缘处的应力集中。横肋大量减少后，纵肋就失去了存在的必要。我国标准规定纵肋可有可无，可改为无。现在钢筋连接大多采用直螺纹连接，无纵肋既避免了螺纹制作时切割纵肋造成的直径损失，又减少了刀具损耗。

基于上述分析，鉴于埋入深度极浅或水泥强度较差时圆钢的握裹力有所不足及人们感观上的原因，那生产一种圆钢，根据规格大小在每150毫米至250毫米的距离上生成一对横肋，形成一种稀肋圆钢，就既能充分和更好的满足工程各项指标的要求，又能达到节约、方便制造和使用的目的。近年来人们因工程进度、方便操作、安全等原因采取多种方法欲改变钢筋传统的焊接连接方法，但由于螺纹钢多横肋、有纵肋，螺纹制作过程中刀具损伤大、纵肋的剥除造成直径损失（大约损失在3%以上）等原因，螺纹连接方法推进也碰到不少问题。如钢筋改为圆型且稀肋，螺纹的制作就变的容易。在钢筋连接技术上具有很大实用、功能性意义。

再次说明稀肋的可靠性。14毫米的钢筋一般工程上用于跨度4公尺以上的梁中。其截面积为154平方毫米。1对横肋贴附在母筋上的底面积为44平方毫米以上，故在2公尺距离上只需4对横肋就可和钢筋的截面积相等，而现横肋多达200对。我们在2公尺距离上减少95%的横肋设10对横肋，其底面积已2.5倍于母筋截面积，那这些横肋被拉裂前，其母筋肯定已先断裂。这就成了减少横肋理由的“DNA”。这是一个常量，加上混凝土在2米长度圆钢上的握裹力，（变量，因混凝土和钢筋的质量而变，如人们使得钢筋的抗拉强度成倍增加，则混凝土在圆钢上的握裹能力存疑，是我们保留稀肋的主要原因。稀肋占钢筋总重降约千份之二，可以接受。稀肋的存在也使得钢筋的材质和普通圆钢易于区别。）可以对稀肋后的混凝土握裹力作一个定量计算：总握裹力=横肋握裹力（剪切力，常量）+圆钢上的握裹力（变量）=2.5倍+7.7倍=10.2倍，非常可靠。

四．石子在握裹力中的作用分析

前已述及，螺纹钢横肋密，石子难以进入肋间，故剪切作用不大。一般混凝土石子占比在42-50%，干硬性混凝土在54%左右，（干硬性混凝土在浦东机场的应用-百度）由此可见，稀肋后，石子和横肋的接触概率在50%，对横肋的阻拦和嵌锁作用明显。我们在做稀肋后的拉拔实验中，发现钢筋初始拔动力接近钢筋屈服强度，在拔出运行中有半数出现卡住现象，分析为留存横肋接触到石子，单侧单个概率大。克服这个卡住力需要甚至超过初始力，提示石子坚硬，面积大，对混凝土压强大。以14mm螺纹钢减少80%横肋计算，约50mm一组横肋，在2米距离上，有40对横肋，即有20对会接触石子，为突破卡住力的40倍，也为钢筋屈服强度的40倍，试想钢筋如何还会滑动？横肋拉掉？no，4对横肋的底面积，已相等于钢筋截面积，现在是40对。

干硬性混凝土的大量应用，既提高了混凝土强度，又降低了成本，但因其少浆、干稠，加上石子的阻隔，容易在横肋间形成空隙，适用于无筋、少筋工程。稀肋钢筋的诞生，将改变此状况，使两者的咬合无隙，石子充分发挥嵌锁作用，因而是一对好搭档，必将在公路、机场、基建工程中发挥巨大作用，使混凝土结构更安全、节约，服务国家发展和保障混凝土构件安全。

五．结语

四大理由奠定大量减少螺纹钢横肋成立基础。1.现象和实验证明圆钢在绝大多数情况下不会在结构件中滑动。实验数据证明留存5%横肋握裹力与螺纹钢数值基本相等，较圆钢成倍提高。其原因在于螺纹钢横肋太密，肋间混凝土骨料难以进入，且易产生空隙，故降低了肋间混凝土强度。2.留存的少量横肋在结构件1/2长度上的底面积是母筋截面积的2.5倍左右，这些横肋被拉裂前，母筋必先已断裂。3.留存横肋的强度仍强于肋间混凝土，尽管这些混凝土的强度已得到较大提高。钢材的理论抗拉强度是混凝土的300倍，扩大横肋间距后肋面积和肋间混凝土面积比大约为1:65，故横肋仍强。实验也证明大量减少横肋后，拉掉的仍是混凝土，被挤成粉末状，留存横肋保持原状。4.钢筋外形系数数值表明，圆钢和螺纹钢接近，也说明横肋太密，作用不大，减肋不减力。

大量减少横肋将产生许多优点，1.大量节材。（我国因减少铁矿石进口而可节约大量外汇。）2.简化钢筋生产工艺。3.基本消除钢筋微裂纹、应力集中，提高钢筋疲劳性能、钢筋质量。4.提高钢筋伸长率，有利抗震。5.增加混凝土保护层厚度，有利防锈。6.由于无需纵肋，钢筋可任意方向弯曲，便于施工。7.无需剥除纵肋，仅需剥除少量横肋，制作螺纹方便、经济，有利于钢筋连接。8.无需剥除纵肋，故无直径损失。9.节能减排，减少污染。10.此创新无需设备更新，且可延长轧辊使用寿命。

螺纹钢起源于西方，上世纪传至我国，在世界上被广泛应用。其横肋间距国家和国际标准无数据支持，不科学，其制定理由呈无人知晓状态，现已制约了新技术的应用。由于钢筋将长期使用，且量巨大，极需尽快审查修改。稀肋圆钢将终结螺纹钢在建筑用钢材中的历史地位，可以恰如其分的说，是一个具有颠覆性的技术创新，将较大减少钢材的生产和使用量，有利节能减排，改善环境污染，并提高钢筋质量。

六．感谢语

本课题研究中宝钢、国家标准委、上海及中国建科院、全国钢标准化技术委员会、国家建筑钢材检测中心、首钢、中国钢铁协会、上海建筑质量检测中心宝山分中心、国家焊接专家魏正黑老师等给予了大力支持，谨致谢忱！衷心希望继续得到上述单位、专家的更多支持，以及今后可能涉及单位、专家、领导的支持。

曹全兴：男；1953.1.31生；工程师；退休。手机：18916143865 邮箱：caoquanxing@163.com

上海市宝山区宝山一村42号401室

参考资料：

［1］ 苏春昌田庆荣HRB400热轧带肋钢筋脆断原因分析［M］ 天津冶金 2003（3）32-38

［2］ 孟志良孙建恒白永兵李宏斌赵淑丽芯柱自密实混凝土与钢筋握裹力强度的试验研究［M］ 《混凝土》 2008（4）15-17

［3］ 钢筋混凝土疲劳问题研究综述［Z］ 豆丁网

［4］ 刘宏玉钢筋疲劳性能试验研究［M］轧钢 2001.2 第18卷第1期

作者简介

曹全兴，宝钢集团退休工程师

本文内容已获曹全兴授权发布

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