高強(qiáng)鋼筋下成本優(yōu)化與工程應(yīng)用
張帆
摘要：國內(nèi)鋼材產(chǎn)量越來越高且越來越精煉，不僅有更好的受力性能，同時(shí)還能兼顧延展性能，并且在工程中運(yùn)用時(shí)可以減少鋼筋數(shù)量，具備許多非常明顯且方便的好處。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)鋼筋 成本優(yōu)勢(shì)
一、 應(yīng)用趨勢(shì)
2012年2月，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合工信部通過了《推廣應(yīng)用高清鋼筋實(shí)施方案》 (后文簡(jiǎn)稱《方案》 )，明確提出了應(yīng)在實(shí)際的工程中更加廣泛的使用HRB400級(jí)、HRB500級(jí)的高強(qiáng)鋼筋，以取代現(xiàn)階段使用更為常見的HRB335鋼筋，本項(xiàng)的目的非常明確，在產(chǎn)能充足的背景下，對(duì)鋼筋材料進(jìn)行更加深入的研究和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更節(jié)約的用料、更方便的施工、更少的運(yùn)輸成本以及更迅捷的工期安排。鋼筋作為工業(yè)、民用、商用建筑當(dāng)中最重要的建筑材料，如此《方案》提高標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)整結(jié)構(gòu)、技術(shù)升級(jí)的方案是行業(yè)發(fā)展思路轉(zhuǎn)變的重要節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，截止2010年底，國內(nèi)建筑鋼筋用量已超過1.3x108t，但當(dāng)時(shí)高強(qiáng)鋼筋的使用量只占到總量的35%左右。而《方案》提到至2013年底在工程中淘汰HRB335級(jí)鋼筋;至2015年底，高強(qiáng)鋼筋產(chǎn)量應(yīng)達(dá)到總量的80%，以及在工程實(shí)際中使用量達(dá)到總量的65%以上。
而從筆者多年的工程實(shí)際運(yùn)用看來，在消除了初始的擔(dān)心之后，無論從設(shè)計(jì)、施工、開發(fā)商、材料商等市場(chǎng)各主體都愿意接受，HRB400已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用，而HRB500的運(yùn)用雖然稍顯滯后，但也有相當(dāng)廣泛的程度，以下從高強(qiáng)鋼筋受力原理、HRB335全面劣勢(shì)及淘汰原因、工程實(shí)例分析等方面具體論述。
二、 高強(qiáng)鋼筋最小配筋率
理論和實(shí)踐表明，構(gòu)件的最小配筋率的影響因素較多，如受力形式是拉、壓、彎、剪、扭，截面形式長(zhǎng)方形、T型、工字型、環(huán)型及尺寸大小，材料強(qiáng)度，荷載是動(dòng)荷載還是靜荷載以及時(shí)間長(zhǎng)短，溫度變化及內(nèi)外溫差，收縮徐變程度。而確定最小配筋率的方法通常有模型法和經(jīng)驗(yàn)法兩種。參考國家《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件(如梁、柱等構(gòu)件)的最小配筋率具體原則：截面開裂后不會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件立即斷裂而造成整體失效，簡(jiǎn)化該條件并采用數(shù)學(xué)表達(dá)式，即Mcr≤Mu
根據(jù)鋼筋混凝土梁受力發(fā)展過程，以及混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于正截面承載力計(jì)算的基本假定“不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度”，假定鋼筋混凝土梁達(dá)到極限承載力狀態(tài)時(shí)的截面力臂為γ*h0 (圖1)，其中為γ內(nèi)力臂長(zhǎng)度系數(shù)，則鋼筋混凝土梁的極限彎矩為：
Mu=γ*h0*σy*As
此時(shí)，σy=fy，As=ρmin*b*h0，γ=1，則
Mu=h0*fy*ρmin*b*h0
矩形截面純彎作用下，由于鋼筋混凝土梁開裂時(shí)鋼筋應(yīng)力很低，因此忽略鋼筋作用，也即按素混凝土梁開裂彎矩考慮。根據(jù)《鋼筋混凝土原理和分析》(清華大學(xué)出版社，2003)的推導(dǎo) ，鋼筋混凝土梁的開裂彎矩為：
Mcr=0.256*ft*b*h2 ft為混凝土周鑫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值
將以上算式合并推導(dǎo)得到：
ρmin=0.256*ft/fy*(h/h0)2
而我國設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最小配筋率也隨著國力的增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度提高及結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的應(yīng)用，進(jìn)行了修訂和提高，再考慮到材料強(qiáng)度的影響，更加有利于促進(jìn)高強(qiáng)度鋼筋在工程中的大量使用�；谝陨显蛞约暗貐^(qū)之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異，完全從技術(shù)角度考慮問題不能適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際情況，而相對(duì)考慮一定的社會(huì)性和政策性是有必要的。
三、 高強(qiáng)鋼筋對(duì)成本的影響
推廣應(yīng)用HRB400、HRB500高強(qiáng)鋼筋不僅僅能滿足建筑行業(yè)高速發(fā)展的需要，也具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。它主要的優(yōu)點(diǎn)在于兼具強(qiáng)度和延性的優(yōu)勢(shì)，以HRB500為例，鋼筋抗拉強(qiáng)度是HRB400的1.2倍，可大大減少受力鋼筋面積，從而減少鋼筋數(shù)量。但根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，橫向鋼筋用作受剪、受扭、受沖切承載力計(jì)算時(shí)，抗拉強(qiáng)度數(shù)值大于360N/mm2時(shí)取360N/mm2，無法發(fā)揮其高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，所以工程中應(yīng)注意在箍筋、梁抗扭腰筋、筏板基礎(chǔ)鋼筋、柱墩柱帽鋼筋的使用中避免采用高強(qiáng)鋼筋，以降低采購成本。
而在以往工程中非常常用的HRB335鋼筋抗拉強(qiáng)度為300N/mm2，由于強(qiáng)度低不適宜作為受彎構(gòu)件中的受拉鋼筋，同時(shí)在受拉構(gòu)件中，構(gòu)件破壞通常由抗拉能力、裂縫寬度來控制，而通過大量工程實(shí)際中的計(jì)算顯示，通常構(gòu)件開裂的臨界值鋼筋的受拉承載力僅為200N/mm2左右，采用成本更低的HRB235鋼筋抗拉強(qiáng)度為210N/mm2就足以滿足條件，也大大減少了HRB335的使用范圍。
而大量運(yùn)用高強(qiáng)鋼筋的直接好處是，邊際成本方面能夠減輕至少12~13%的建筑重量，這不僅僅只是減少材料成本，還減少了倉儲(chǔ)成本、運(yùn)輸成本、搬運(yùn)成本，另外還有減小構(gòu)件截面的間接優(yōu)勢(shì)。
四、具體工程案例比較
HRB500級(jí)鋼筋在以承載力為控制計(jì)算中，與其他鋼筋相比可明顯節(jié)省材料，降低造價(jià)，以一棟五層鋼筋混凝土框架為例，混凝土等級(jí)為C35，抗震設(shè)防烈度為7度，梁柱抗震等級(jí)為二級(jí)，跨度9米，層高4.8m，平面布置如圖所示。該工程縱筋分別采用HRB335E、HRB400E、HRB500E三種鋼筋計(jì)算，鋼筋用量匯總?cè)缦卤恚?/p>
受力構(gòu)件鋼筋
HRB335EHRB400EHRB500E
框架梁/kg841147310862071
框架柱/kg280332890228534
總量/kg11214710201090605
用鋼量/(kg/m2)35.432.228.6
根據(jù)上表，本工程HRB500E比HRB400E每平米節(jié)省鋼筋3.6kg(或11.2%)，比HRB335E節(jié)省鋼筋6.8kg(或19.2%)。
五、降低施工難度
按承載能力控制時(shí)，HRB500鋼筋可以充分發(fā)揮高強(qiáng)度效益，減少構(gòu)件配筋率，減少鋼筋排數(shù)，提高鋼筋效率，尤其是大型公建、高層建筑、大柱網(wǎng)的混凝土梁采用HRB500鋼筋效果更加突出。采用HRB500鋼筋后，同樣荷載、同樣界面的情況下，梁柱縱筋根數(shù)會(huì)減少，可以在鋼筋綁扎、混凝土澆筑時(shí)非常方便。
五、總結(jié)
在建筑設(shè)計(jì)中，合理的采用高強(qiáng)鋼筋，完全可以提高效率、節(jié)省建材、減小構(gòu)件、方便澆筑、利于保證施工質(zhì)量，既有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)又有安全性優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該在實(shí)際工程中大力推廣和采用。
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