高強鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

李 星

(山西潞安工程勘察設(shè)計咨詢有限責任公司，山西 長治 046204)

高強鋼筋用于梁與柱的縱向受力鋼筋、大開間樓板、基礎(chǔ)筏板以及高層剪力墻的受力鋼筋時節(jié)材效果顯著。隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑鋼筋已是鋼材產(chǎn)品中消耗量最大的品種。因此在不斷提高建筑鋼筋的性能，特別是實現(xiàn)其高強度化的同時，需要合理運用低成本生產(chǎn)工藝，從而保障高強鋼筋的社會經(jīng)濟效益。

1 高強鋼筋的概述

普通混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的高強鋼筋是指強度級別為400MPa級及以上的鋼筋，其通過對鋼筋添加一定量的合金元素，利用微合金化技術(shù)冶煉而成。在提高鋼筋強度的同時又保留了鋼筋的延性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用高強鋼筋不僅可以優(yōu)化鋼筋品種、減少鋼筋用量，還可有效改善梁、柱節(jié)點鋼筋密集的現(xiàn)象，有利于混凝土澆筑質(zhì)量。目前在鋼筋混凝土設(shè)計中應(yīng)用的HRB400、HRB500等級的熱軋鋼筋就屬于高強鋼筋。其具備以下優(yōu)良特性：第一、強度高：400MPa級鋼筋屈服強度標準值為400MPa、極限強度標準值為540MPa、抗拉抗壓強度設(shè)計值為360MPa；500 MPa級鋼筋屈服強度標準值為500MPa、極限強度標準值為630MPa、抗拉強度設(shè)計值為435MPa、抗壓強度設(shè)計值為 410MPa；600MPa級鋼筋則更高。第二、性能穩(wěn)定，應(yīng)變時效敏感性低。第三、延性好：延伸率≥14%，實際上平均延伸率可達20%。第四、冷彎性能好。第五、焊接性能良好，適應(yīng)各種焊接方法。第六、強屈比高，安全儲備大，能滿足抗震要求，抗震性能好。

2 高強鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的優(yōu)勢及其存在的問題

2.1 高強鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的優(yōu)勢分析。

高強鋼筋與普通鋼筋相比，不僅完全滿足了建筑用鋼要求，具有較好的強度和一定的延性，同時也有效改善了鋼筋的力學(xué)性能。由于高強鋼筋在強度上占有很大優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用高強鋼筋，在提高結(jié)構(gòu)安全性能的同時，可有效減少單位建筑面積的鋼筋用量。因此采用高強鋼筋具有極好的節(jié)材作用，降低了構(gòu)件的經(jīng)濟成本，減少了資源的損耗，符合現(xiàn)階段我國對節(jié)能減排的要求。高強鋼筋的應(yīng)用可以顯著提高構(gòu)件的配筋效率。對于一些梁柱構(gòu)件，在設(shè)計中常常因為受到鋼筋之間合理間距的限制，不得不加大構(gòu)件的截面尺寸，導(dǎo)致梁柱構(gòu)件混凝土用量的增加，減少了建筑的有效空間，降低了社會效益。如采用高強鋼筋作為受力鋼筋，可明顯降低配筋的數(shù)量，使梁柱截面得到合理優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)工程施工中，采用高強鋼筋可以有效地降低施工難度。對于大跨度或者是重載結(jié)構(gòu)，當采用普通鋼筋配筋時，梁柱節(jié)點處的鋼筋過于密集，造成鋼筋的安裝和綁扎困難。而換用高強鋼筋，不僅可以減少節(jié)點的配筋數(shù)量，同時降低了鋼筋的綁扎和混凝土的施工難度，便于施工管理，提高了鋼筋工程的施工效率。高強鋼筋較之普通鋼筋生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，對技術(shù)的要求以及廠家的實力要求也比較高，因此不容易進行假冒，這在一定程度上遏制住了“瘦身鋼筋”的出現(xiàn)，從而保證鋼筋的品質(zhì)，確保建筑工程的質(zhì)量。

2.2 高強鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用存在的主要問題分析

其問題主要表現(xiàn)在技術(shù)和推廣方面。從技術(shù)方面來看，在提高鋼筋強度的同時，未能很好的解決鋼筋錨固長度問題，以及構(gòu)件的裂縫控制等問題，限制了高強鋼筋作用的發(fā)揮。從推廣方面看，我國對高強鋼筋相關(guān)理論研究和實驗分析不夠充分，配套的技術(shù)標準和規(guī)程的編制還有待完善，尚不能滿足目前建筑發(fā)展的需要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如采用HRB500級鋼筋代替普通鋼筋作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的縱向受力鋼筋，在相同的受彎承載力情況下，可以顯著減少鋼筋的用料，從而取得較好的社會經(jīng)濟效益。然而，在實際工程中若采用高強鋼筋，在使用荷載的作用下鋼筋應(yīng)力會顯著提高，構(gòu)件的裂縫寬度和撓度可能會因此而超過限值，取代承載力計算成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素，高強鋼筋的強度優(yōu)勢將難以發(fā)揮作用。針對這種情況，在新規(guī)范的編寫中已經(jīng)對裂縫限值的計算公式中荷載組合和受力特征系數(shù)進行了相應(yīng)的調(diào)整，一定程度上放松了裂縫寬度對高強鋼筋應(yīng)用的限值。采用高強鋼筋時，對于一類環(huán)境下的受彎構(gòu)件，如果使用功能許可，其最大裂縫寬度限值可采用0.4mm，取消了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中年平均相對濕度小于60%的要求；對于2a類環(huán)境下的地下室底板，當不接觸腐蝕性介質(zhì)時，由于底板鋼筋應(yīng)力偏低，而且迎水面混凝土保護層厚度較大，其最大裂縫寬度限值可放大至0.3mm。對于采用高強鋼筋的結(jié)構(gòu)工程，其梁柱節(jié)點處的錨固長度也是制約高強鋼筋發(fā)展的一個關(guān)鍵。為了確保鋼筋具有足夠的承載力和剛度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須使鋼筋有足夠的錨固長度。在同等條件下，鋼筋的錨固長度會隨著鋼筋強度的變化而變化。而高強鋼筋因其較高的抗拉強度值所需的錨固長度也增加了很多。這種因鋼筋強度的增加而造成的錨固長度的變化將給節(jié)點處及主、次梁搭接處的構(gòu)造設(shè)計和施工帶來一定困擾。針對這種情況，可以通過提高混凝土等級的方式，降低鋼筋錨固的長度。因此在高強鋼筋的應(yīng)用中，應(yīng)注意鋼筋與混凝土的合理搭配，選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸。另一方面由于高強鋼筋尚在推廣過程中，部分設(shè)計和施工人員對高強鋼筋的品種、規(guī)格、性能和應(yīng)用范圍不夠熟悉，對當前的高強鋼筋的供貨狀況缺少了解，不能合理的選用鋼筋。因此應(yīng)加強關(guān)于高強鋼筋的知識培訓(xùn)，保證高強鋼筋的生產(chǎn)與供貨暢通，積極推廣高強鋼筋試點工程，提高建筑人員采用高強鋼筋作為主導(dǎo)鋼筋的意識。

3 高強鋼筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的發(fā)展方向

由于受到錨固長度和裂縫寬度等方面限制，高強鋼筋更適用于不受撓度和裂縫控制的結(jié)構(gòu)中，比如偏壓構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和驗算可以滿足正常使用極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)等。

3.1 柱類構(gòu)件

框架柱的受力特點是承受壓彎與剪力為主，同時考慮拉彎和側(cè)向穩(wěn)定性的影響。根據(jù)承載力計算柱的配筋時，鋼筋強度越高，鋼筋的經(jīng)濟效益越明顯，因此對于柱類構(gòu)件的縱向受力鋼筋按計算配筋或者是最小配筋率進行計算均可以采用500MPa級高強鋼筋。同時柱內(nèi)受力鋼筋的錨固相較于梁更容易處理，也不受裂縫寬度的限制。因此，建議在柱類構(gòu)件中推廣高強鋼筋的應(yīng)用，有條件時應(yīng)積極采用500MPa級鋼筋。

3.2 板類構(gòu)件

對于板類構(gòu)件，主要配有承受豎向荷載和彎矩的共同作用的受力鋼筋和分布鋼筋。由于板類構(gòu)件混凝土等級往往較低，鋼筋的最小配筋率受到混凝土強度等級與鋼筋強度等級比值的影響，同時又有裂縫寬度的限制，進而高強鋼筋的優(yōu)勢難以發(fā)揮。因此，建議在板類構(gòu)件中根據(jù)工程情況選用高強鋼筋，如跨度大、承載力要求高或者是配筋率高，所需鋼筋較大的板中應(yīng)用高強鋼筋。

3.3 梁類構(gòu)件

作為主要承受剪力、彎矩和扭矩共同作用的梁類構(gòu)件，在選用鋼筋時，不僅要考慮撓度和裂縫寬度的限制，同時又要保證其在地震作用下的延性?？v向受力鋼筋因其錨固的需要以及受剪計算中箍筋抗拉強度的限制，宜采用400MPa級鋼筋作為其受力主筋。部分需承受較大荷載或者截面尺寸較大的梁，考慮到鋼筋的經(jīng)濟效益和施工管理的方便，在可以滿足裂縫寬度的要求情況下優(yōu)先選用500MPa級鋼筋。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著建筑規(guī)模的不斷擴大，為了適應(yīng)建筑行業(yè)發(fā)展的需要，逐步推廣高強鋼筋的應(yīng)用可以明顯減少鋼筋的用量，大大減少能源和資源的浪費，符合我國當前發(fā)展所推行的“節(jié)能減排”政策。雖然高強鋼筋的全面推廣還存在著一些難題，但是隨著技術(shù)的不斷完善以及經(jīng)驗的不斷積累，以后高強鋼筋必然會得到更好的應(yīng)用。