高強鋼筋下成本優化與工程應用
張帆
摘要：國內鋼材產量越來越高且越來越精煉，不僅有更好的受力性能，同時還能兼顧延展性能，并且在工程中運用時可以減少鋼筋數量，具備許多非常明顯且方便的好處。
關鍵詞：高強鋼筋 成本優勢
一、 應用趨勢
2012年2月，住房與城鄉建設部聯合工信部通過了《推廣應用高清鋼筋實施方案》 (后文簡稱《方案》 )，明確提出了應在實際的工程中更加廣泛的使用HRB400級、HRB500級的高強鋼筋，以取代現階段使用更為常見的HRB335鋼筋，本項的目的非常明確，在產能充足的背景下，對鋼筋材料進行更加深入的研究和應用，以實現更節約的用料、更方便的施工、更少的運輸成本以及更迅捷的工期安排。鋼筋作為工業、民用、商用建筑當中最重要的建筑材料，如此《方案》提高標準、調整結構、技術升級的方案是行業發展思路轉變的重要節點。
根據資料統計，截止2010年底，國內建筑鋼筋用量已超過1.3x108t，但當時高強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級鋼筋;至2015年底，高強鋼筋產量應達到總量的80%，以及在工程實際中使用量達到總量的65%以上。
而從筆者多年的工程實際運用看來，在消除了初始的擔心之后，無論從設計、施工、開發商、材料商等市場各主體都愿意接受，HRB400已實現大規模使用，而HRB500的運用雖然稍顯滯后，但也有相當廣泛的程度，以下從高強鋼筋受力原理、HRB335全面劣勢及淘汰原因、工程實例分析等方面具體論述。
二、 高強鋼筋最小配筋率
理論和實踐表明，構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，截面形式長方形、T型、工字型、環型及尺寸大小，材料強度，荷載是動荷載還是靜荷載以及時間長短，溫度變化及內外溫差，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驗法兩種。參考國家《混凝土結構設計規范》對鋼筋混凝土受彎構件(如梁、柱等構件)的最小配筋率具體原則：截面開裂后不會導致構件立即斷裂而造成整體失效，簡化該條件并采用數學表達式，即Mcr≤Mu
根據鋼筋混凝土梁受力發展過程，以及混凝土設計規范關于正截面承載力計算的基本假定“不考慮混凝土的抗拉強度”，假定鋼筋混凝土梁達到極限承載力狀態時的截面力臂為γ*h0 (圖1)，其中為γ內力臂長度系數，則鋼筋混凝土梁的極限彎矩為：
Mu=γ*h0*σy*As
此時，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鋼筋應力很低，因此忽略鋼筋作用，也即按素混凝土梁開裂彎矩考慮。根據《鋼筋混凝土原理和分析》(清華大學出版社，2003)的推導 ，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度設計值
將以上算式合并推導得到：
ρmin=0.256*ft/fy*(h/h0)2
而我國設計規范對于鋼筋混凝土受彎構件最小配筋率也隨著國力的增強，結構設計安全度提高及結構耐久性設計的應用，進行了修訂和提高，再考慮到材料強度的影響，更加有利于促進高強度鋼筋在工程中的大量使用。基于以上原因以及地區之間經濟發展水平差異，完全從技術角度考慮問題不能適應復雜的實際情況，而相對考慮一定的社會性和政策性是有必要的。
三、 高強鋼筋對成本的影響
推廣應用HRB400、HRB500高強鋼筋不僅僅能滿足建筑行業高速發展的需要，也具有顯著的經濟效應和社會效應。它主要的優點在于兼具強度和延性的優勢，以HRB500為例，鋼筋抗拉強度是HRB400的1.2倍，可大大減少受力鋼筋面積，從而減少鋼筋數量。但根據《混凝土結構設計規范》中規定，橫向鋼筋用作受剪、受扭、受沖切承載力計算時，抗拉強度數值大于360N/mm2時取360N/mm2，無法發揮其高強度的優勢，所以工程中應注意在箍筋、梁抗扭腰筋、筏板基礎鋼筋、柱墩柱帽鋼筋的使用中避免采用高強鋼筋，以降低采購成本。
而在以往工程中非常常用的HRB335鋼筋抗拉強度為300N/mm2，由于強度低不適宜作為受彎構件中的受拉鋼筋，同時在受拉構件中，構件破壞通常由抗拉能力、裂縫寬度來控制，而通過大量工程實際中的計算顯示，通常構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。
而大量運用高強鋼筋的直接好處是，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，還減少了倉儲成本、運輸成本、搬運成本，另外還有減小構件截面的間接優勢。
四、具體工程案例比較
HRB500級鋼筋在以承載力為控制計算中，與其他鋼筋相比可明顯節省材料，降低造價，以一棟五層鋼筋混凝土框架為例，混凝土等級為C35，抗震設防烈度為7度，梁柱抗震等級為二級，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三種鋼筋計算，鋼筋用量匯總如下表：
受力構件鋼筋
HRB335EHRB400EHRB500E
框架梁/kg841147310862071
框架柱/kg280332890228534
總量/kg11214710201090605
用鋼量/(kg/m2)35.432.228.6
根據上表，本工程HRB500E比HRB400E每平米節省鋼筋3.6kg(或11.2%)，比HRB335E節省鋼筋6.8kg(或19.2%)。
五、降低施工難度
按承載能力控制時，HRB500鋼筋可以充分發揮高強度效益，減少構件配筋率，減少鋼筋排數，提高鋼筋效率，尤其是大型公建、高層建筑、大柱網的混凝土梁采用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，梁柱縱筋根數會減少，可以在鋼筋綁扎、混凝土澆筑時非常方便。
五、總結
在建筑設計中，合理的采用高強鋼筋，完全可以提高效率、節省建材、減小構件、方便澆筑、利于保證施工質量，既有經濟優勢又有安全性優勢，應該在實際工程中大力推廣和采用。
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