熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋在梁板結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

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(1.南京市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

引言

我國正處于基礎(chǔ)建設(shè)的高潮期，建筑業(yè)已成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，與此同時也消耗著大量的鋼材。若要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須調(diào)整建筑材料消耗的構(gòu)成。采用高強(qiáng)鋼筋替代工程中常用的HRB400級(以下簡稱三級鋼筋)，不僅可以減少用鋼量，降低工程造價，且可以節(jié)約生產(chǎn)鋼材所消耗的大量能源與資源，減少污染物排放，提高結(jié)構(gòu)的安全儲備能力，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本文針對樓蓋梁板體系中常見的4種布置形式，選取5個活載水平進(jìn)行計算，分別得到采用三級鋼筋和HTRB600高強(qiáng)鋼筋作為受力筋，在不同布置形式下的鋼筋用量與混凝土用量，分析比較了不同布置形式下采用高強(qiáng)鋼筋替代受力三級鋼筋的經(jīng)濟(jì)性，為推動應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋進(jìn)行工程設(shè)計提供參考。

1 理論依據(jù)

根據(jù)F=fyAS，要達(dá)到相同的抗力，提升鋼筋設(shè)計強(qiáng)度將有效降低用鋼量。針對工程中常用的三級鋼筋(強(qiáng)度設(shè)計值360 MPa)，如采用HTRB600熱處理高強(qiáng)鋼筋(強(qiáng)度設(shè)計值500 MPa)來替代，理論上最大可降低用鋼量28%。目前，市場上三級鋼筋出廠價約4 000元/t，考慮鋼筋運輸、綁扎及損耗等，三級鋼筋綜合單價約為5 000元/t，熱處理高強(qiáng)鋼筋綜合單價約為5 800元/t，鋼筋綜合單價提高了16%，理論上結(jié)構(gòu)最高節(jié)省用鋼造價16.48%。

依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]中的8.5.1和江蘇JG/T 054—2012《熱處理帶肋高強(qiáng)度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中的6.2.1，對于板類受彎構(gòu)件(不包括懸臂板)的受拉鋼筋，要求當(dāng)采用強(qiáng)度等級400 MPa、500 MPa、600 MPa和630 MPa的鋼筋時，其最小配筋百分率應(yīng)允許采用0.15和45ft/fy的較大值，低于普通鋼筋混凝土板類受彎構(gòu)件中最小配筋百分率采用0.20和45ft/fy的較大值的要求。JG/T 054—2012《熱處理帶肋高強(qiáng)度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的6.2.2規(guī)定，直徑6 mm的熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋可用于鋼筋混凝土板的板面和板底配筋，低于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中9.1.6規(guī)定的鋼筋直徑不宜小于8 mm的要求。在DGJ 32/J 16—2005《住宅工程質(zhì)量通病控制標(biāo)準(zhǔn)》[3]中，對板筋的構(gòu)造要求是鋼筋直徑不小于8 mm處，可用直徑6 mm的熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋替換，間距要求不變，同時應(yīng)滿足最小配筋率的要求。

因此，從理論上講，采用HTRB600熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋替代三級鋼筋，可以在滿足我國各項建筑設(shè)計規(guī)范、規(guī)程的基礎(chǔ)上，有效地降低建筑結(jié)構(gòu)的造價，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究對象

某工程典型柱網(wǎng)尺寸為9 m×9 m，X和Y方向各取3跨作為計算模型，取正中間一柱網(wǎng)的結(jié)果作為研究對象。4種布置類型與主次梁尺寸如圖1所示。本文針對這4種次梁布置類型，分別采用三級鋼筋(強(qiáng)度設(shè)計值360 MPa)和HTRB600熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋(強(qiáng)度設(shè)計值500 MPa)作為梁、板的受力筋配筋，構(gòu)造鋼筋全部采用三級鋼筋，比較兩種配筋方式在各個布置類型下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3 計算條件

樓面恒載考慮面層做法及吊頂取1.5 kN/m2，自動計算樓板自重，活載水平在2～10 kN/m2之間變化，增幅為2 kN/m2。樓板的厚度統(tǒng)一取120 mm，梁、柱、板的混凝土強(qiáng)度等級為C30，梁、板受力主鋼筋分別采用HRB400和HTRB600，所有箍筋和構(gòu)造配筋均采用HRB400。建立單層框架，層高3 500 mm，柱截面統(tǒng)一取600 mm×600 mm。在計算中不考慮風(fēng)荷載及地震作用，框架抗震等級為三級。板配筋計算中采用彈性算法。三級鋼筋板最小配筋率取0.2%，高強(qiáng)鋼筋板最小配筋率取0.15%。

圖1 4種次梁布置形式

此外，為保證計算結(jié)果符合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范與工程的實際要求，還規(guī)定了以下條件：

(1)框架梁端加密區(qū)長度、間距、最小直徑按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中11.3.6條第3款、11.3.7條的規(guī)定：沿梁全長的頂面和底面至少應(yīng)配置兩根通長的縱向鋼筋，三級框架不少于2Ф 12 mm。

(2)依據(jù)GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[4]中6.3.4條第3款對箍筋加密區(qū)肢距的要求，梁寬b=350 mm時，需用四肢箍；依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.2.13條，梁的腹板高度hw≥450 mm時，需配置對稱腰筋。

(3)計算用鋼量時：①鋼筋的搭接和錨固長度按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求；②梁端上部鋼筋第1排按1/3凈跨長截斷，第二排按1/4凈跨長截斷，中間用通長筋或架立筋；③箍筋分加密區(qū)和非加密區(qū)，梁端加密區(qū)長度按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中表11.3.6-2取用。

需要說明的是，在統(tǒng)計造價時考慮到實際工程中模板與鋼筋的損耗，混凝土按1 000元/m3，三級鋼筋按5 000元/t，熱處理高強(qiáng)鋼筋按5 800元/t計算。在對比分析中，如發(fā)現(xiàn)計算中梁出現(xiàn)超筋，則對該荷載下的計算結(jié)果不進(jìn)行比較。

4 經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計分析

圖2為4種布置形式的每m2用鋼量。由圖2可知，在各種布置形式下，采用熱處理高強(qiáng)鋼筋作為梁、板受力筋，均可以有效降低結(jié)構(gòu)的用鋼量。但是，各種布置形式下用鋼量的節(jié)省幅度有所不同。以下對框架主次梁和板配筋的用鋼量節(jié)省情況分別進(jìn)行討論。

圖2 4種布置形式的每m2用鋼量

如圖3所示，隨著荷載水平的增大，采用HTRB600高強(qiáng)鋼筋時，框架主次梁節(jié)省用鋼量的效果越來越顯著，且在較高的活載水平(>6 kN/m2)下，可以明顯看出次梁布置形式對節(jié)省效果的影響。當(dāng)次梁布置數(shù)量少、單根框架主次梁配筋量大時，采用高強(qiáng)鋼筋將帶來更為明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在本計算中表現(xiàn)為：布置形式1受力鋼筋所占比例最高，其節(jié)省效果在活載6 kN/m2以上時最好；布置形式4的節(jié)省程度最小。

圖3 框架主次梁節(jié)省用鋼量百分比

圖4顯示，當(dāng)采用熱處理高強(qiáng)鋼筋作為板受力筋時，由于允許采用6 mm鋼筋，且其最小配筋百分率允許采用0.15和45ft/fy的較大值，節(jié)省用鋼量效果明顯。在不限制板配筋間距的條件下，各種布置形式相對于采用三級鋼筋進(jìn)行板配筋，最低可節(jié)省26.5%以上的用鋼量。在2 kN/m2活載下，布置2、布置3、布置4均處于構(gòu)造配筋階段，布置形式1部分進(jìn)入受力配筋階段。隨著活載水平的增大，布置2、布置3和布置4相繼進(jìn)入受力配筋階段，節(jié)省用鋼量的百分比進(jìn)一步上升。

圖4 板配筋節(jié)省用鋼量百分比

圖5描述了整個梁板體系每m2用鋼量節(jié)省的百分比隨活載水平的變化情況。隨著活載水平的增大，每m2節(jié)省用鋼量的百分比并非一定增長，如布置3在2～4 kN/m2的活載變化中出現(xiàn)了平臺段，布置4在4～6 kN/m2的活載變化中也出現(xiàn)了平臺段，這是由于在相應(yīng)段的荷載變化中，框架主次梁節(jié)省用鋼量的百分比變化較小，同時板配筋節(jié)省用鋼量的程度也沒有發(fā)生變化。但是，從整體趨勢上看，采用高強(qiáng)鋼筋節(jié)省用鋼量的程度仍隨著荷載水平的增大而增大。

圖5 每m2節(jié)省用鋼量百分比

如圖6所示，三級鋼筋按5 000元/t，熱處理高強(qiáng)鋼筋按5 800元/t計算，得到4種布置形式下采用熱處理高強(qiáng)鋼筋替代三級鋼筋作為受力筋的經(jīng)濟(jì)效益計算結(jié)果。顯然，采用高強(qiáng)鋼筋配筋的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，即使在2 kN/m2的低活載水平下，各個布置形式的節(jié)省用鋼價格均超過10%，隨著荷載水平的增長，節(jié)省的效果也越突出。

圖6 每m2節(jié)省用鋼價格百分比

需要說明的是，圖3和圖5中出現(xiàn)了高于理論最大節(jié)省用鋼量28%的點，圖6中出現(xiàn)了超過理論最大節(jié)省用鋼造價16.48%的點，這是由于計算過程中梁配筋未考慮鋼筋混搭，實際配筋量略高于計算值，且由于采用三級鋼筋時單根鋼筋的直徑更大，浪費偏多，因此節(jié)省的百分比較理論值會更高。這也說明考慮人為配筋放大的影響時，采用高強(qiáng)鋼筋作為梁板受力筋的經(jīng)濟(jì)效益將更為突出。

下面計入混凝土費用，計算本文中9 m×9 m單層單跨梁板結(jié)構(gòu)的總造價。在計算中考慮模板費用，混凝土價格按照1 000元/m3計。圖7顯示4種布置形式所用混凝土費用的差異較大，其中布置形式4的混凝土費用最高。

圖7 4種布置形式混凝土所用總價

計入混凝土費用后，三級鋼筋配筋情況下，4種布置形式的結(jié)構(gòu)總造價隨活載變化情況見圖8；HTRB600高強(qiáng)鋼筋作為受力筋配筋情況下，4種布置形式的結(jié)構(gòu)總造價隨活載變化情況見圖9。

圖8 單跨梁板結(jié)構(gòu)總造價(三級鋼筋配筋)

圖9 單跨梁板結(jié)構(gòu)總造價(高強(qiáng)鋼筋配筋)

由圖8和圖9可知，受布置形式4混凝土費用高的影響，在各個荷載水平下，布置4的結(jié)構(gòu)總造價均最高；且無論采用三級鋼筋還是高強(qiáng)鋼筋作為受力筋，4種布置形式下的總造價由高到低的順序均為：布置4、布置2、布置1、布置3。圖10顯示，采用HTRB600鋼筋作為受力筋時，即使在較低活載水平(2 kN/m2)下，單跨梁板結(jié)構(gòu)總價節(jié)省2.5%以上；而在較高荷載水平(8～10 kN/m2)下，單跨梁板結(jié)構(gòu)總價可節(jié)省9%以上。

5 結(jié)語

圖10 單跨梁板結(jié)構(gòu)總價降低百分比

針對梁板結(jié)構(gòu)中常見的4種布置形式，分別采用HTRB600高強(qiáng)鋼筋替代三級鋼筋作為受力筋進(jìn)行了計算比較。結(jié)果表明，采用熱處理帶肋高強(qiáng)鋼筋在各種布置形式和多種活載水平下均具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，其經(jīng)濟(jì)效果隨著荷載的增大而增大，當(dāng)然各個布置形式下的經(jīng)濟(jì)效益有所不同。

隨著熱處理高強(qiáng)鋼筋的不斷推廣應(yīng)用，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)對不同荷載水平下樓蓋布置形式的經(jīng)濟(jì)性有更為全面的了解，在滿足規(guī)范要求和結(jié)構(gòu)安全性的前提下，積極開拓思路，為業(yè)主提供更為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案，也為社會節(jié)約更多的材料和能源，為實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展盡一份力。

參考文獻(xiàn)：

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[3] DGJ 32/J 16—2005，住宅工程質(zhì)量通病控制標(biāo)準(zhǔn)[S].南京：江蘇省建設(shè)廳，2005.

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