HRB500鋼筋在工程中應(yīng)用的效益分析

賀彩峰 周 朕 呼 洋 劉 才 周凱誼

北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100055

海外建筑行業(yè)在結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用新型強(qiáng)度高的HRB 500鋼筋。國內(nèi)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第二部分：肋骨鋼筋》引進(jìn)了HRB500鋼筋，但在國內(nèi)還沒有形成大規(guī)模的普及應(yīng)用。在北京市副中心建設(shè)中，尤其是在地下結(jié)構(gòu)建造中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系仍然占有很大的比重，大規(guī)模地推廣HRB500鋼筋在城市副中心建設(shè)中的應(yīng)用，對(duì)提高建筑行業(yè)水平、提升建筑材料的科技進(jìn)步都具有極其重要的意義，同時(shí)也符合國家綠色環(huán)保、節(jié)能減排的政策要求。本文依托北京市副中心第二期建設(shè)項(xiàng)目，開展HRB500鋼筋在工程中效益的具體分析研究。

1 HRB500鋼筋受力性能

1.1HRB500鋼筋物理性能

HRB500、HRB500E鋼筋與HRB400、HRB335鋼筋相比，在材料中添加了V、Nb、Ti等合金元素，材料性能穩(wěn)定、物理性能良好，具有強(qiáng)度高、延性好、焊接性能好，安全儲(chǔ)備大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。表1為HRB400、HRB500鋼筋化學(xué)組成成分。

表1 HRB400、HRB500鋼筋化學(xué)組成成分

1.2HRB500鋼筋受力性能

HRB500鋼筋屈服強(qiáng)度為500 MPa，HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度為400 MPa，兩者相比，HRB500鋼筋比HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度提高25.0%。HRB500鋼筋的抗拉強(qiáng)度為630 MPa，HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度為540 MPa，兩者相比，HRB500鋼筋比HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度提高16.7%。表2是HRB400鋼筋和HRB500鋼筋的受力性能指標(biāo)對(duì)比。

表2 HRB400與HRB500鋼筋受力性能指標(biāo)對(duì)比

1.3HRB500鋼筋的工藝性能

HRB500鋼筋連接方式有綁扎連接、焊接連接和機(jī)械連接。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)HRB500鋼筋連接方式進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究。焊接時(shí)，HRB500鋼筋閃光焊焊接接頭性能良好，達(dá)到JGJ 18—2012《鋼筋焊接及驗(yàn)收規(guī)程》的合格要求[1]，但是焊接質(zhì)量不高，離散性很大，對(duì)于重要工程不建議采用。機(jī)械連接時(shí)，HRB500鋼筋接頭都能滿足拉伸強(qiáng)度。但從鋼筋變形性能來看，剝肋滾壓直螺紋和擠肋滾壓直螺紋連接在破壞時(shí)具有較好的伸長(zhǎng)率和良好的延性[2-3]。綁扎連接時(shí)，HRB500鋼筋在直徑≥25 mm以及在配筋密集區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)操作困難。綜合考慮HRB500鋼筋現(xiàn)場(chǎng)施工難度系數(shù)、成本以及連接質(zhì)量保證率，國外大量工程實(shí)例表明，擠壓連接的質(zhì)量保證率最高。

2 HRB500鋼筋效益研究

2.1HRB500鋼筋社會(huì)效益研究

冶煉鋼材的原料為鐵礦石和煤炭，根據(jù)冶金行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，冶煉1 t鋼筋，需要消耗1.660 t鐵礦石和0.669 t標(biāo)準(zhǔn)煤。假設(shè)工程使用HRB500鋼筋比HRB400鋼筋節(jié)省鋼材1 t，則配置HRB500鋼筋比配置HRB400鋼筋節(jié)約鐵礦石1.660 t，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.669 t。1 t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒將產(chǎn)生2.2 t的CO2、1.4 kg的SO2、9 kg的NOx、11 kg的粉塵。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)按相同的荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)，使用HRB500鋼筋要比使用HRB400鋼筋節(jié)約鋼筋用量12%～14%。配置HRB500鋼筋可以減少1.471 8 t的CO2、0.936 6 kg的SO2、6.021 0 kg的NOx的排放量，還能夠減少7.359 0 kg粉塵排放量。因而，HRB500鋼筋是建筑工程綠色施工的必然選擇，其可滿足建筑行業(yè)科技高速發(fā)展的需要，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2.2HRB500鋼筋經(jīng)濟(jì)效益研究

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)HRB500鋼筋在各種應(yīng)力狀態(tài)下承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的性能進(jìn)行了很多研究[4-9]。研究表明：HRB500鋼筋與較低強(qiáng)度鋼筋受力性能相比，強(qiáng)度高、破壞時(shí)延性好、地震作用下抗震性能良好，這些優(yōu)良性能使得HRB500鋼筋在同樣的受力工況下，比使用HRB400鋼筋可節(jié)省14.3%的用量。據(jù)采購資料統(tǒng)計(jì)，HRB500鋼筋的單價(jià)較HRB400鋼筋增加了5.0%。根據(jù)鋼筋等強(qiáng)原則，如果用HRB500鋼筋代替HRB400鋼筋，鋼筋的購買費(fèi)用可以節(jié)省7.6%～8.9%。鋼筋的用量及市場(chǎng)價(jià)單價(jià)越高，鋼筋的采購費(fèi)節(jié)省越多。另一方面，由于使用高強(qiáng)度HRB500鋼筋，鋼筋數(shù)量減少了12%～14%，意味著該規(guī)模的工程項(xiàng)目的物資儲(chǔ)存成本大幅減少。除此之外，對(duì)于相同條件下的構(gòu)件，使用HRB500鋼筋，構(gòu)件中鋼筋數(shù)量大大下降，這既有利于勞務(wù)工人鋼筋綁扎，同時(shí)也顯著提高工程混凝土澆筑質(zhì)量，工程勞務(wù)成本大幅度下降。綜上所述，在工程項(xiàng)目中應(yīng)用HRB500鋼筋經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 工程案例

3.1工程概況

北京城市副中心二期建設(shè)項(xiàng)目，工程總建筑面積166 076 m2，由1#、2#單體建筑組成，結(jié)構(gòu)形式均為地下現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、地上鋼結(jié)構(gòu)，地上8層、地下3層，地下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度分別約為134 m×110 m和109 m×110 m?；A(chǔ)埋深14.5～16.5 m。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙）類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。工程設(shè)計(jì)時(shí)，下返柱墩以及框架梁使用HRB500E鋼筋，其余鋼筋均為HRB400E，鋼筋接頭采用擠壓機(jī)械連接。工程中鋼筋化學(xué)成分及受力性能及接頭報(bào)告如表3～表5所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出本工程鋼筋化學(xué)成分、受力性能及機(jī)械接頭檢驗(yàn)均合格。

表3 鋼筋化學(xué)成分檢驗(yàn)

表4 鋼筋受力性能指標(biāo)

表5 部分鋼筋機(jī)械連接檢驗(yàn)

3.2HRB500鋼筋應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益分析

北京城市副中心二期項(xiàng)目在施工圖設(shè)計(jì)階段，地下結(jié)構(gòu)框架梁及下返柱墩采用HRB400、HRB500鋼筋分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，在滿足極限承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求下，框架梁及下返柱墩的鋼筋用量及成本分析如表6所示。

表6 HRB400、HRB500鋼筋用量比較

從表6中看出使用HRB500鋼筋梁的鋼筋用量減少了25.359 260 t，鋼筋節(jié)約量大約為10.4%，按照近期鋼筋采購價(jià)格，HRB400鋼筋價(jià)格5 130元/t，HRB500鋼筋價(jià)格為5 280元/t，鋼筋直接采購成本造價(jià)降低了9.735萬元，成本節(jié)約率為6.7%，這對(duì)于EPC工程造價(jià)控制具有顯著成果。

同時(shí)以施工圖設(shè)計(jì)前期階段地下2層覆土區(qū)頂板梁配筋為分析對(duì)象，地下2層頂板覆土區(qū)段截面700 mm×1 200 mm的梁，下鐵鋼筋多達(dá)16根（上7根、下9根），上鐵鋼筋多達(dá)16根（上下各8根）。然而當(dāng)采用HRB500鋼筋作為框架梁主筋，地下2層同一位置頂板覆土區(qū)段同一根梁配筋下鐵13根（上4根、下9根），下鐵鋼筋14根（上8根、下6根）。同一區(qū)段鋼筋數(shù)量減少了3根，鋼筋加工、綁扎、焊接量得到減少，在一定程度上降低了工程勞務(wù)費(fèi)用及垂直運(yùn)輸和交通運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用。與此同時(shí)，由于鋼筋數(shù)量的減少，改善了梁、柱節(jié)點(diǎn)和框架柱、梁中鋼筋密集的狀況，可以提高工程質(zhì)量，為公司后續(xù)贏得更大的市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。

3.3HRB500鋼筋應(yīng)用社會(huì)效益分析

本項(xiàng)目在地下結(jié)構(gòu)框架梁及柱墩上配置HRB500鋼筋節(jié)約鋼筋總量25.359 260 t，可以減少1.471 8 t的CO2、0.936 6 kg的SO2、6.021 0 kg的NOx和7.359 0 kg粉塵的排放量。從上述數(shù)據(jù)可以明顯看出，HRB500鋼筋是實(shí)現(xiàn)綠色工程和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必然選擇，具有較大的環(huán)保價(jià)值。目前HRB500鋼筋在我國還沒有形成大規(guī)模的應(yīng)用，中國年鋼筋使用量約2 500萬 t，若根據(jù)鋼筋等強(qiáng)原則采用HRB500鋼筋代換，鋼材量可以節(jié)省375萬 t左右。由此，間接減少551.925 000萬 t的CO2、0.355 000萬 t的SO2、2.257 875萬 t的NOx、2.596 250萬 t的粉塵的排放量。使用HRB500鋼筋環(huán)保效益顯著。

4 結(jié)語

本文通過分析HRB500鋼筋在北京城市副中心二期項(xiàng)目中的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1）混凝土結(jié)構(gòu)采用高性能HRB500鋼筋代替HRB400鋼筋，可以大大減少CO2、SO2、NOx和粉塵的排放量。有利于建筑工程的綠色施工、節(jié)能減排，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。在建筑工程中，大量普及HRB500鋼筋，具有顯著的社會(huì)效益。

2）在混凝土結(jié)構(gòu)中，HRB500鋼筋替代HRB400鋼筋，可以節(jié)約鋼筋總量的10%左右。減少鋼筋直接采購成本約6%。在建筑工程中大量普及HRB500鋼筋有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3）通過對(duì)試點(diǎn)工程質(zhì)量控制發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中用HRB500鋼筋取代HRB400鋼筋在相同受力條件下減少了鋼筋數(shù)量，增大了鋼筋的間隙，提高了各種配筋的焊接、綁扎及混凝土澆灌空間，給施工過程帶來方便，保證了鋼筋混凝土的施工質(zhì)量。

本文依托北京市城市副中心二期實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)工程中僅地下梁及柱墩鋼筋采用等強(qiáng)代換進(jìn)行了效益研究，應(yīng)用規(guī)模較小，數(shù)據(jù)樣本局限。在以后的研究中可以開展HRB500鋼筋在工程項(xiàng)目中全面大規(guī)模地應(yīng)用，進(jìn)行社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的大數(shù)據(jù)分析。