論HRB400級(jí)鋼筋在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐革，龔國(guó)琴，韋勝平

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司建筑市政設(shè)計(jì)院 重慶 400013)

1 鋼筋應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研及分析

通過對(duì)鋼筋應(yīng)用現(xiàn)狀及人們對(duì)鋼筋性能認(rèn)識(shí)的了解，可以獲知現(xiàn)階段仍大量使用HRB235級(jí)、HRB335級(jí)鋼筋，少用甚至不用HRB400級(jí)鋼筋的真正原因。本文共搜集120份調(diào)研材料，被調(diào)查范圍是從事建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工等單位的專業(yè)人員。

從調(diào)研中可以看出制約HRB400級(jí)鋼筋應(yīng)用的主要因素：

（1）裂縫控制。裂縫控制會(huì)直接影響到鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮程度。裂縫控制下若采用HRB400級(jí)鋼筋，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度發(fā)揮不足而浪費(fèi)材料。區(qū)分是否為裂縫控制及如何有效地避免出現(xiàn)裂縫控制、發(fā)揮鋼筋強(qiáng)度是HRB400級(jí)鋼筋推廣應(yīng)用首要解決的問題。

（2）使用性能及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。HRB400級(jí)鋼筋的使用性能及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性直接關(guān)系到工程的質(zhì)量，也是決定其自身能否被大眾接受并采用的先決條件。調(diào)研中，超過半數(shù)的人認(rèn)為HRB400級(jí)鋼筋的塑性、抗震性能、疲勞性能、機(jī)械連接、焊接性能不如HRB335級(jí)鋼筋?？梢?，對(duì)HRB400級(jí)鋼筋性能的擔(dān)憂，是制約其推廣應(yīng)用的重要因素。

（3）最小配筋率。受彎構(gòu)件的一側(cè)受拉鋼筋最小配筋率及受壓構(gòu)件的全部縱向鋼筋最小配筋率均與鋼筋級(jí)別有關(guān)。調(diào)研中，相當(dāng)比例的人認(rèn)為對(duì)最小配筋率在規(guī)范[1]、[2]有限制要求的構(gòu)件，不宜采用HRB400等高強(qiáng)鋼筋?？梢?，最小配筋率控制是影響人們選擇HRB400級(jí)鋼筋推廣應(yīng)用的另一個(gè)重要因素。

（4）對(duì)投資影響的認(rèn)識(shí)。一個(gè)工程的投資是綜合成本的體現(xiàn)，投資者并不能預(yù)先知道工程中使用HRB400級(jí)鋼筋會(huì)帶來材料量的減少使鋼材總投資減少；但比HRB335級(jí)鋼筋單價(jià)成本高確是顯而易見的，因此，很容易使投資者產(chǎn)生抵觸應(yīng)用的意識(shí)。當(dāng)HRB400級(jí)鋼筋的價(jià)值真正被建設(shè)各方所認(rèn)同，人們就會(huì)主動(dòng)應(yīng)用而不需要國(guó)家花費(fèi)大量精力去倡導(dǎo)和推廣了。

2 HRB400級(jí)鋼筋性能綜合分析

2.1 鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮與裂縫寬度

對(duì)規(guī)范[1]的最大裂縫寬度公式進(jìn)行推導(dǎo)并帶入αcr=2.1；Es=2.0x105N/mm2后得到：

其中，σsk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算下的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力。其它參數(shù)含義見規(guī)范[1]。可見，影響σsk的參數(shù)包括：ωmax、c、deq、ρte、ftk。 在c、deq、ρte、ftk一定的情況下，σsk隨ωmax的增大而增大，當(dāng)ωmax增大到ωlim時(shí)，σsk即為裂縫寬度控制下縱向受拉鋼筋的最大應(yīng)力。

根據(jù)ωlim、c對(duì)建筑工程中常用的受彎構(gòu)件進(jìn)行分類。（1）ωlim=0.2、c=20：二（a）類環(huán)境下的板、墻類構(gòu)件，如：基礎(chǔ)底板、地下室底板、鋼筋混凝土擋土墻等；（2）ωlim=0.2、c=30：二（a）類環(huán)境下的基礎(chǔ)梁；（3）ωlim=0.3、c=20：一類環(huán)境下的板類構(gòu)件，如：樓板；（4）ωlim=0.3、c=25：一類環(huán)境的梁。 受彎構(gòu)件普遍采用C30混凝土，本文取C30， ftk=2.01N/mm2。 選定ωlim、c及ftk值后，則可找到σsk與ρte、deq的關(guān)系。 鋼筋最大應(yīng)力計(jì)算中，ρte為強(qiáng)度控制下、按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率，這里取ρte為0～5.0%。 對(duì)于矩形截面ρte=2ρ，ρ為縱向受拉鋼筋配筋率。

圖1～圖4中，X軸為ρte，Y軸為σsk， 右側(cè)為鋼筋直徑12～25mm，曲線表示荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算下，該構(gòu)件有效截面配筋率ρte在0～5.0%范圍內(nèi)的縱向受拉鋼筋最大拉應(yīng)力。文獻(xiàn)[8]指出用于裂縫寬度驗(yàn)算的標(biāo)準(zhǔn)組合與用于承載力計(jì)算的基本組合之比CP=0.79時(shí)，能滿足規(guī)范對(duì)可靠指標(biāo)的要求。故本文分析時(shí)，取CP=0.79，即1/CP=1.266。用于承載力計(jì)算下的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為σs，則裂縫寬度計(jì)算下的鋼筋最大應(yīng)力為σsk=σs/1.266。當(dāng)裂縫控制時(shí)，若裂縫控制下的鋼筋最大應(yīng)力小于σsk，則其承載力控制下的鋼筋最大應(yīng)力小于σs，即鋼筋強(qiáng)度達(dá)不到充分發(fā)揮。用于承載力計(jì)算的HRB335級(jí)、HRB400級(jí)鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為300N/mm2、360N/mm2，則裂縫寬度驗(yàn)算的構(gòu)件縱向受拉鋼筋最大拉應(yīng)力分別為300/1.266=237N/mm2、360/1.266=284N/mm2。

下面分別對(duì)這四類構(gòu)件進(jìn)行分析。

圖1 二（a）類環(huán)境下的板、擋土墻類構(gòu)件

由圖1： deq=12～16mm時(shí)，ρte分別不小于2.9%、3.6%、4.4%時(shí)，HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度才能充分發(fā)揮；deq=18～25mm時(shí)，不論ρte取值多少，均無法充分發(fā)揮HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度。二（a）類環(huán)境下的板、擋土墻，其常用直徑為12～20mm，板的經(jīng)濟(jì)配筋率[9]ρ為0.4%～0.8%，即ρte為0.8%～1.6%，故不宜使用HRB400級(jí)或更高強(qiáng)度的鋼筋，因?yàn)闊o法充分發(fā)揮其高強(qiáng)度而造成浪費(fèi)。

圖2 ：二（a）類環(huán)境下的基礎(chǔ)梁

由 圖 2：deq=12、14mm，ρte分 別 不 小 于 3.3% 、4.4% ，HRB335級(jí)鋼筋的強(qiáng)度才能充分發(fā)揮；曲線的最大值小于284N/mm2。二（a）類環(huán)境下的基礎(chǔ)梁，不宜使用HRB400級(jí)或更高強(qiáng)度的鋼筋。

圖3 ：一類環(huán)境下的板類構(gòu)件

由圖3：deq=8～14mm時(shí)，不論ρte取值多少，均能使HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度充分發(fā)揮；deq=16～25mm時(shí)，ρte分別不小于1.3%、1.7%、2.1%、2.4%、2.9%時(shí)，HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度才能充分發(fā)揮。一類環(huán)境下的板，其常用直徑為8～14mm，故在此直徑范圍內(nèi)的樓板，不論其配筋率ρ多少，均可以采用HRB400級(jí)鋼筋作為其主要受力鋼筋，而無需擔(dān)心裂縫寬度限制影響到HRB400級(jí)鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮。

圖4 ：一類環(huán)境的梁

由圖4：deq=12mm時(shí)，不論ρte取值多少，均能使HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮；deq=14～25mm時(shí)，ρte分別不小于1.1%、1.8%、2.2%、2.6%、3.0%和3.6%時(shí)，HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度才能充分發(fā)揮。 一類環(huán)境下的梁，其經(jīng)濟(jì)配筋率[9]ρ為0.6%～1.5%，即ρte在1.2%～3.0%，常用直徑14～25mm，ρte應(yīng)分別不小于上值時(shí)，HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度才能充分發(fā)揮。故梁縱向鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，應(yīng)注意裂縫寬度的驗(yàn)算。

小結(jié)：裂縫控制是否會(huì)限制HRB400級(jí)鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮應(yīng)區(qū)別對(duì)待。一類環(huán)境下的樓板，常用直徑下鋼筋強(qiáng)度可以得到充分發(fā)揮而無需考慮裂縫控制；一類環(huán)境下的梁，應(yīng)注意鋼筋直徑的選擇和裂縫寬度的驗(yàn)算；二（a）類環(huán)境下的底板、擋墻、基礎(chǔ)等構(gòu)件，不宜采用HRB400級(jí)鋼筋。

2.2 HRB400級(jí)鋼筋的使用性能

在闡述HRB400級(jí)鋼筋的使用性能之前，需要先了解HRB400級(jí)鋼筋的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝。Ⅲ級(jí)鋼筋的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)重要的階段，分別以Mn-Si系鋼的25MnSi（老Ⅲ級(jí)）和以微合金化工藝生產(chǎn)的HRB400級(jí) （新Ⅲ級(jí)）鋼筋為代表。25MnSi鋼筋與HRB335級(jí)鋼筋一樣，是屬以碳為主導(dǎo)強(qiáng)化機(jī)制生產(chǎn)而成，通過提高碳的含量從而提高鋼的強(qiáng)度，但鋼的塑、韌性損失也很明顯，特別是焊接性能等鋼材綜合使用性能惡化。HRB400級(jí)鋼筋是在不提高碳含量的條件下，通過微合金技術(shù)向鋼中添加微量合金元素釩（V）、鈮（Nb）或鈦（Ti）等，從而獲得高強(qiáng)度和高塑、韌性的鋼材。

文獻(xiàn)[5]列出了鋼中添加釩、鈦等對(duì)建筑鋼材性能的影響。HRB400級(jí)鋼筋多是添加了微量元素釩，故與HRB335級(jí)鋼筋相比，延伸率降低、塑性降低；抗震性能受塑性、疲勞性能影響較大，HRB400級(jí)鋼筋的塑性有所降低，但疲勞性能得到大幅提高，抗震性能是否提高很難衡量。文獻(xiàn)[6]論證了HRB400級(jí)鋼筋作為框架柱的受力鋼筋，可明顯改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。釩對(duì)可焊性影響不大，故HRB400與HRB335級(jí)鋼筋的可焊性能相差不大，而調(diào)研中普遍認(rèn)為HRB400級(jí)鋼筋的可焊性能不如HRB335級(jí)鋼筋，且認(rèn)為是HRB400級(jí)鋼筋的碳含量的增加所致，故這種認(rèn)知還是停留在老Ⅲ級(jí)鋼筋的基礎(chǔ)上，不再適用于HRB400級(jí)鋼筋。文獻(xiàn)[7]通過試驗(yàn)論證了HRB400級(jí)鋼筋的抗震性能、疲勞性能、焊接性能、粘結(jié)性能均能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。更何況，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]指出普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋，并將HRB400級(jí)鋼筋放在縱向受力鋼筋的首選位置。可見，HRB400級(jí)鋼筋的各方面性能是良好的。

2.2.1 受彎構(gòu)件采用HRB400與HRB235、HRB335級(jí)鋼筋的最小配筋率比較

表1 受彎構(gòu)件一側(cè)受拉鋼筋的最小配筋百分率

受彎構(gòu)件一側(cè)受拉鋼筋的最小配筋率見表1。混凝土等級(jí)為C30時(shí)，板受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋與HRB235級(jí)鋼筋相比，最小配筋率之比為0.200%∶0.306%，節(jié)省板受力鋼筋用量34.6%；梁受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋與HRB335級(jí)鋼筋相比，最小配筋率比為0.200%∶0.215%，節(jié)省梁受力鋼筋用量7.0%。且節(jié)省比例隨混凝土等級(jí)的提高而增大。

2.2.2 框架柱采用HRB400級(jí)鋼筋與HRB335級(jí)鋼筋的最小配筋率比較

規(guī)范[1]在注釋中明確指出：柱全部縱向受力鋼筋最小配筋百分率，當(dāng)采用HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，應(yīng)按表中數(shù)值減小0.1，且普遍使用的SATWE程序(2005版)在計(jì)算配筋時(shí)，若框架柱采用HRB400級(jí)鋼筋作為縱向受力鋼筋，配筋輸出確實(shí)是按照規(guī)范注釋中減小0.1的要求控制。柱采用HRB400與HRB335級(jí)鋼筋的全截面最小配筋率比較見表2。當(dāng)抗震等級(jí)為二級(jí)，相比HRB335級(jí)鋼筋而言，采用HRB400級(jí)鋼筋時(shí)，框架中柱、邊柱的全截面最小配筋率減少了12.5%，框架角柱的全截面最小配筋率減少了10.0%，且減少的程度隨著抗震等級(jí)的降低而增大。

表2 柱采用HRB400級(jí)或HRB335級(jí)鋼筋的全截面最小配筋率比較

2.3 使用HRB400級(jí)鋼筋的經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和筆者調(diào)查認(rèn)為，樓板及框架柱縱向受力鋼筋在建筑工程中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，一般?0%以上，合理地選擇樓板和框架柱的縱向受力鋼筋等級(jí)可很大程度上節(jié)約鋼筋成本。下面分別以樓板和框架柱為例，說明采用HRB400級(jí)鋼筋與采用HRB235級(jí)、HRB335級(jí)鋼筋的區(qū)別。

2.3.1 樓板采用HRB400級(jí)鋼筋與HRB235級(jí)鋼筋的比較

對(duì)鋼筋強(qiáng)度發(fā)揮與裂縫寬度控制的分析可見，一類環(huán)境下樓板鋼筋在常用直徑8～14mm下采用HRB400級(jí)鋼筋，均為承載力或最小配筋率控制，不存在裂縫控制問題。計(jì)算配筋方面：HRB230級(jí)、HRB400級(jí)鋼筋的抗拉強(qiáng)度比為1︰1.714，即承載力控制下樓板采用HRB400級(jí)鋼筋，相比HRB235級(jí)鋼筋，最大節(jié)省比例為41.7%。構(gòu)造方面：最小配筋率控制下的最小節(jié)省比例為34.6%（取C30混凝土計(jì)算）。綜合而言，鋼筋用量節(jié)省范圍為34.6%～41.7%，鋼筋成本節(jié)省范圍為30.7%～38.2%（以HRB400級(jí)鋼筋高出HRB235級(jí)鋼筋6%的價(jià)格計(jì)算[4]）。節(jié)省的鋼筋量約占樓板受力鋼筋總量的三分之一?？梢姡瑯前邃摻畈捎肏RB400級(jí)鋼筋相比采用HRB235級(jí)鋼筋有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 框架柱采用HRB335級(jí)鋼筋與HRB400級(jí)鋼筋的比較

計(jì)算配筋方面：HRB335級(jí)和HRB400級(jí)鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別是300N/mm2和360 N/mm2，強(qiáng)度比為1︰1.2。即承載力控制下，使用HRB400級(jí)鋼筋可節(jié)約16.7%左右的鋼筋量。構(gòu)造方面：全截面最小配筋率控制下，HRB400級(jí)鋼筋相比HRB335級(jí)鋼筋可節(jié)省8.3%～16.7%。綜合而言，HRB400級(jí)鋼筋比HRB335級(jí)鋼筋工程量可節(jié)省8.3%～16.7%，鋼筋成本節(jié)省范圍為2.8%～11.7%（按HRB400級(jí)鋼筋高出HRB335級(jí)鋼筋6%的價(jià)格計(jì)算[4]）。同時(shí)還可以改善梁柱節(jié)點(diǎn)因鋼筋過密帶來的諸多設(shè)計(jì)、施工方面的問題?？梢?，框架柱采用HRB400比HRB335級(jí)鋼筋有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 工程實(shí)例與分析

某工程為五層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。表3顯示：柱采用HRB400級(jí)鋼筋比采用HRB335級(jí)鋼筋的用鋼量節(jié)省13.8%，符合了框架柱采用HRB400級(jí)鋼筋比HRB335級(jí)鋼筋可節(jié)省8.3%～16.7%用鋼量的結(jié)論。本工程鋼筋成本節(jié)約8.6%（按HRB400級(jí)鋼筋高出HRB335級(jí)鋼筋6%的價(jià)格計(jì)算）。

表3 柱采用HRB335級(jí)或HRB400級(jí)鋼筋的用鋼量比較

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

合理地選擇HRB400級(jí)鋼筋不僅能帶來直接、顯著的經(jīng)濟(jì)效益，更是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、與國(guó)際節(jié)能減排政策接軌的重要舉措。根據(jù)上面的理論分析和工程實(shí)例，可歸納如下：

（1）受力重要的部位，如跨度大、荷載重的構(gòu)件由受力控制配筋時(shí)，工程設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用HRB400級(jí)以上高強(qiáng)鋼筋。

（2）工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一類環(huán)境下的樓板、框架柱，盡量采用HRB400級(jí)鋼筋，可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益；一類環(huán)境下的梁，采用HRB400級(jí)鋼筋時(shí)應(yīng)注意裂縫寬度的驗(yàn)算；二（a）類環(huán)境下的基礎(chǔ)、擋土墻等，不宜采用HRB400級(jí)鋼筋。

4.2 建議

（1）我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]相比歐美規(guī)范對(duì)構(gòu)件裂縫的控制偏嚴(yán)[10]，適度的裂縫控制既能滿足建筑的使用要求，也能節(jié)約投資和降低施工難度、保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土澆筑質(zhì)量和助推HRB400等高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用。建議參考國(guó)際規(guī)范對(duì)我國(guó)規(guī)范裂縫控制進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)放寬對(duì)裂縫的控制。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性應(yīng)嚴(yán)格控制，并確保市場(chǎng)供應(yīng)、規(guī)格齊全、購(gòu)買方便。目前，仍有很多地區(qū)小直徑HRB400級(jí)鋼筋的市場(chǎng)供應(yīng)不足，影響工程進(jìn)度而更改設(shè)計(jì)。

（3）冷軋帶肋、冷軋扭等經(jīng)過冷加工的鋼筋，其塑、韌性較差，不利于抗震性能設(shè)計(jì)。在樓板開洞較大位置附近區(qū)域、抗震薄弱部位和延性設(shè)計(jì)要求較高的構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)，建議用HRB400級(jí)鋼筋取代冷加工鋼筋作為受力鋼筋。

[1]GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50011-2002，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]伍晏，周以大.高層住宅采用高強(qiáng)鋼筋為主配筋方案的效益優(yōu)化分析[J]，建筑施工，30(4)，277-279.

[5]中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).建筑鋼材手冊(cè)[S].北京:人民交通出版社，2005.2.

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