高强钢筋下成本优化与工程应用

　　　　张帆

　　　　摘要： 国内钢材产量越来越高且越来越精炼，不仅有更好的受力性能，同时还能兼顾延展性能，并且在工程中运用时可以减少钢筋数量，具备许多非常明显且方便的好处。

　　　　关键词： 高强钢筋 成本优势

　　一、 应用趋势

　　2012年2月，住房与城乡建设部联合工信部通过了《推广应用高清钢筋实施方案》 (后文简称《方案》 )，明确提出了应在实际的工程中更加广泛的使用HRB400级、HRB500级的高强钢筋，以取代现阶段使用更为常见的HRB335钢筋，本项的目的非常明确，在产能充足的背景下，对钢筋材料进行更加深入的研究和应用，以实现更节约的用料、更方便的施工、更少的运输成本以及更迅捷的工期安排。钢筋作为工业、民用、商用建筑当中最重要的建筑材料，如此《方案》提高标准、调整结构、技术升级的方案是行业发展思路转变的重要节点。

　　根据资料统计，截止2010年底，国内建筑钢筋用量已超过1.3x108t，但当时高强钢筋的使用量只占到总量的35%左右。而《方案》提到至2013年底在工程中淘汰HRB335级钢筋;至2015年底，高强钢筋产量应达到总量的80%，以及在工程实际中使用量达到总量的65%以上。

　　而从笔者多年的工程实际运用看来，在消除了初始的担心之后，无论从设计、施工、开发商、材料商等市场各主体都愿意接受，HRB400已实现大规模使用，而HRB500的运用虽然稍显滞后，但也有相当广泛的程度，以下从高强钢筋受力原理、HRB335全面劣势及淘汰原因、工程实例分析等方面具体论述。

　　二、 高强钢筋最小配筋率

　　理论和实践表明，构件的最小配筋率的影响因素较多，如受力形式是拉、压、弯、剪、扭，截面形式长方形、T型、工字型、环型及尺寸大小，材料强度，荷载是动荷载还是静荷载以及时间长短，温度变化及内外温差，收缩徐变程度。而确定最小配筋率的方法通常有模型法和经验法两种。参考国家《混凝土结构设计规范》对钢筋混凝土受弯构件(如梁、柱等构件)的最小配筋率具体原则：截面开裂后不会导致构件立即断裂而造成整体失效，简化该条件并采用数学表达式，即Mcr≤Mu

　　根据钢筋混凝土梁受力发展过程，以及混凝土设计规范关于正截面承载力计算的基本假定“不考虑混凝土的抗拉强度”，假定钢筋混凝土梁达到极限承载力状态时的截面力臂为γ*h0 (图1)，其中为γ内力臂长度系数，则钢筋混凝土梁的极限弯矩为：

　　Mu=γ*h0*σy*As

　　此时，σy=fy，As=ρmin*b*h0，γ=1，则

　　Mu=h0*fy*ρmin*b*h0

　　矩形截面纯弯作用下，由于钢筋混凝土梁开裂时钢筋应力很低，因此忽略钢筋作用，也即按素混凝土梁开裂弯矩考虑。根据《钢筋混凝土原理和分析》(清华大学出版社，2003)的推导 ，钢筋混凝土梁的开裂弯矩为：

　　Mcr=0.256*ft*b*h2 ft为混凝土周鑫抗拉强度设计值

　　将以上算式合并推导得到：

　　ρmin=0.256*ft/fy*(h/h0)2

　　而我国设计规范对于钢筋混凝土受弯构件最小配筋率也随着国力的增强，结构设计安全度提高及结构耐久性设计的应用，进行了修订和提高，再考虑到材料强度的影响，更加有利于促进高强度钢筋在工程中的大量使用。基于以上原因以及地区之间经济发展水平差异，完全从技术角度考虑问题不能适应复杂的实际情况，而相对考虑一定的社会性和政策性是有必要的。

　　三、 高强钢筋对成本的影响

　　推广应用HRB400、HRB500高强钢筋不仅仅能满足建筑行业高速发展的需要，也具有显著的经济效应和社会效应。它主要的优点在于兼具强度和延性的优势，以HRB500为例，钢筋抗拉强度是HRB400的1.2倍，可大大减少受力钢筋面积，从而减少钢筋数量。但根据《混凝土结构设计规范》中规定，横向钢筋用作受剪、受扭、受冲切承载力计算时，抗拉强度数值大于360N/mm2时取360N/mm2，无法发挥其高强度的优势，所以工程中应注意在箍筋、梁抗扭腰筋、筏板基础钢筋、柱墩柱帽钢筋的使用中避免采用高强钢筋，以降低采购成本。

　　而在以往工程中非常常用的HRB335钢筋抗拉强度为300N/mm2，由于强度低不适宜作为受弯构件中的受拉钢筋，同时在受拉构件中，构件破坏通常由抗拉能力、裂缝宽度来控制，而通过大量工程实际中的计算显示，通常构件开裂的临界值钢筋的受拉承载力仅为200N/mm2左右，采用成本更低的HRB235钢筋抗拉强度为210N/mm2就足以满足条件，也大大减少了HRB335的使用范围。

　　而大量运用高强钢筋的直接好处是，边际成本方面能够减轻至少12~13%的建筑重量，这不仅仅只是减少材料成本，还减少了仓储成本、运输成本、搬运成本，另外还有减小构件截面的间接优势。

　　四、具体工程案例比较

　　HRB500级钢筋在以承载力为控制计算中，与其他钢筋相比可明显节省材料，降低造价，以一栋五层钢筋混凝土框架为例，混凝土等级为C35，抗震设防烈度为7度，梁柱抗震等级为二级，跨度9米，层高4.8m，平面布置如图所示。该工程纵筋分别采用HRB335E、HRB400E、HRB500E三种钢筋计算，钢筋用量汇总如下表：

　　受力构件钢筋

　　HRB335EHRB400EHRB500E

　　框架梁/kg841147310862071

　　框架柱/kg280332890228534

　　总量/kg11214710201090605

　　用钢量/(kg/m2)35.432.228.6

　　根据上表，本工程HRB500E比HRB400E每平米节省钢筋3.6kg(或11.2%)，比HRB335E节省钢筋6.8kg(或19.2%)。

　　五、降低施工难度

　　按承载能力控制时，HRB500钢筋可以充分发挥高强度效益，减少构件配筋率，减少钢筋排数，提高钢筋效率，尤其是大型公建、高层建筑、大柱网的混凝土梁采用HRB500钢筋效果更加突出。采用HRB500钢筋后，同样荷载、同样界面的情况下，梁柱纵筋根数会减少，可以在钢筋绑扎、混凝土浇筑时非常方便。

　　五、总结

　　在建筑设计中，合理的采用高强钢筋，完全可以提高效率、节省建材、减小构件、方便浇筑、利于保证施工质量，既有经济优势又有安全性优势，应该在实际工程中大力推广和采用。