600 MPa 高強鋼筋的工程應(yīng)用探析

林家民，袁丹，紀(jì)紀(jì)念，劉天同，王銳

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國建設(shè)工程中占主要地位，鋼筋消耗量大。2010 年，全國城鎮(zhèn)房屋建筑鋼筋和線材用量1.3×108t，占鋼鐵總產(chǎn)量的16%，占其總產(chǎn)量50%以上。高強鋼筋推廣應(yīng)用在建設(shè)工程使用中能夠降低鋼筋用量。據(jù)測算，以500 MPa 取代400 MPa 鋼筋可以節(jié)約鋼筋用量5%～7%；400 MPa 鋼筋替代335 MPa 鋼筋的可以節(jié)約鋼筋用量12%～14%。推廣應(yīng)用600 MPa 鋼筋在高層或大跨度建筑中，效果更加顯著，可以節(jié)約鋼筋用量30%。2010 年，全國高強鋼筋用量比例約35%，按照當(dāng)前我國工程建設(shè)規(guī)模，如果高強鋼筋用量比例達(dá)到65%，每年大約可節(jié)省鋼筋1.0×107t，相應(yīng)緩解煤電等能源供應(yīng)的壓力，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 高強鋼筋的技術(shù)特點

高強鋼筋是指國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》[1]中規(guī)定的屈服強度≥400 MPa級的普通熱軋帶肋鋼筋以及細(xì)晶粒子熱軋帶肋鋼筋。通過加釩、鈮等合金元素微合金化的其牌號為HRB；通過控軋和控冷工藝，使鋼筋金相組織的晶粒細(xì)化的其牌號為HRBF。在材料力學(xué)性能、施工適應(yīng)性以及可焊性方面，以微合金化（HRB）最為可靠。

不是所有建設(shè)工程都要使用高強鋼筋，也不是使用高強鋼筋的強度越高越好，要加強以減排節(jié)能為主，以結(jié)構(gòu)安全為前提，可靠合理地使用。鑒于其利于保障建筑安全質(zhì)量和節(jié)材效果顯著的特點，建議高層和大跨度建筑使用高強鋼筋。

3 高強鋼筋技術(shù)指標(biāo)

現(xiàn)行GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）[2]推薦使用屈服強度400 MPa 和500 MPa 的高強熱軋帶肋鋼筋，400 MPa 鋼筋抗拉和抗壓強度設(shè)計值360 N/mm2，500 MPa 鋼筋抗拉和抗壓強度設(shè)計值435 N/mm2。2018 年11月1 日實施的GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼 第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》中刪除了屈服強度335 MPa 的熱軋帶肋鋼筋，增加了屈服強度600 MPa 的新一代高強鋼筋。600 MPa 高強鋼筋應(yīng)用在我國處于初步發(fā)展階段，國家級規(guī)范體系中尚無600 MPa 高強鋼筋強度設(shè)計值指標(biāo)。

根據(jù)住建部、工業(yè)和信息化部2012 年共同發(fā)布的《關(guān)于加快應(yīng)用高強鋼筋的指導(dǎo)意見》，各省市積極開展600 MPa 級及以上螺紋鋼筋產(chǎn)品研發(fā)，加快高強鋼筋產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，加強高強鋼筋和高強混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的研究。2019 年10 月，河北省批準(zhǔn)了DB 13/T 5055—2019《600 MPa級高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》[3]。2020 年3 月，湖北省批準(zhǔn)了DB42/T 1534—2019《高強熱軋帶肋鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[4]，該規(guī)程適用于配置600 MPa 高強熱軋帶肋鋼筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

湖北省DB42/T 1534—2019《高強熱軋帶肋鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，600 MPa 高強鋼筋規(guī)定牌號為HRB600 和HRB600E，抗拉強度設(shè)計值520 N/mm2，抗壓強度設(shè)計值490 N/mm2，對于軸心受壓構(gòu)件，抗壓強度設(shè)計值400 N/mm2。600 MPa 鋼筋其鋼筋在最大拉力下的總伸長率、抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值、屈服強度實測值與屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值的比值均滿足現(xiàn)行國家規(guī)范的要求。

4 600 MPa 高強鋼筋的實際工程應(yīng)用

某公司智能制造產(chǎn)業(yè)園項目總裝車間建筑面積9.1×104m2，2～4 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要柱網(wǎng)尺寸8 m×17 m，樓面荷載8.0 kN/m2。

受配置鋼筋數(shù)量的影響，為保證鋼筋的合適間距，有時候不得不加大梁的截面寬度，導(dǎo)致梁截面加大，混凝土用量增加，結(jié)構(gòu)自重加大。該工程樓面荷載大，混凝土梁跨度較大，合理采用高強鋼筋，可有效減少配筋數(shù)量，有效減小梁截面，有效提高施工效率。

600 MPa 高強鋼筋的工程應(yīng)用如圖1 所示。

圖1 廠房局部梁平面示意圖

400 MPa 鋼筋與600 MPa 鋼筋力學(xué)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表1。

表1 400 MPa 鋼筋與600 MPa 鋼筋力學(xué)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

600 MPa 鋼筋價格比400 MPa 鋼筋高18.4%，600 MPa 抗拉強度比400 MPa 鋼筋提高了44.4%。該工程混凝土梁，荷載大、跨度大，計算內(nèi)力值較大，梁縱向受力鋼筋的抗拉強度可充分利用。梁縱向受力鋼筋采用600 MPa 高強鋼筋，有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。經(jīng)綜合分析比較，基礎(chǔ)、柱、樓板鋼筋和梁箍筋采用400 MPa 鋼筋較為經(jīng)濟(jì)合理。

5 600 MPa 高強鋼筋的應(yīng)用需要關(guān)注的問題

1）國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范滯后?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)的GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）尚未把600 MPa 鋼筋列入其中。目前，只有部分省市發(fā)布了600 MPa鋼筋的地方標(biāo)準(zhǔn)，實際工程應(yīng)用中需注意地域性。

2）相關(guān)輔助設(shè)計圖集尚不完善。《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》（16G101-1）中無600 MPa鋼筋錨固長度、搭接長度等構(gòu)造措施。施工圖中需交代鋼筋錨固長度、搭接長度等相關(guān)參數(shù)。

3）合理選擇鋼筋連接方式。600 MPa 鋼筋宜優(yōu)先選擇機械連接和綁扎搭接。慎用焊接，由于普通鋼筋與600 MPa 鋼筋的金相組織區(qū)別，焊接不當(dāng)會破壞原有的金相組織。焊接連接方式不宜在重要的受力部位采用。直徑小于14 mm 的鋼筋不宜采用機械連接?？v向受力鋼筋的綁扎搭接接頭的要求及搭接接頭范圍內(nèi)配置箍筋要求詳見17G101-11（第1～12 頁）?？v向受力鋼筋機械連接接頭的要求詳見17G101-11 的第1～10 頁。機械連接的接頭性能應(yīng)符合JGJ 107—2016《鋼筋機械連接技術(shù)規(guī)程》的Ⅰ級接頭性能；機械連接優(yōu)先采用鋼筋直螺紋套筒接頭。鋼筋直徑≥16 mm 的HRB600、HRB600E 鋼筋采用直螺紋套筒接頭。

4）600 MPa 鋼筋彎弧內(nèi)直徑不同于400 MPa 鋼筋。由于大部分鋼筋加工人員對600 MPa 高強鋼筋不熟悉，習(xí)慣采用400 MPa 鋼筋彎弧內(nèi)直徑進(jìn)行鋼筋加工，會對鋼筋造成破壞。HRB600、HRB600E 鋼筋，直徑在28 mm 以下時，鋼筋彎折的彎弧內(nèi)直徑應(yīng)大于鋼筋直徑的6 倍；在直徑28 mm 及以上時，鋼筋彎折的彎弧內(nèi)直徑應(yīng)大于鋼筋直徑的7 倍。建議施工圖中特別注明鋼筋彎弧內(nèi)直徑。

5）合理確定混凝土強度等級。高強鋼筋使用時候需要采用強度較高的混凝土。應(yīng)用600 MPa 級熱軋帶肋鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，板采用的混凝土強度等級應(yīng)不小于C30，梁采用的混凝土強度等級應(yīng)不小于C40；剪力墻、柱的混凝土強度等級應(yīng)不小于C50。相關(guān)輔助設(shè)計圖集尚不完善，《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》（16G101-1）中無600 MPa 鋼筋錨固長度、搭接長度等構(gòu)造措施。施工圖中需交代鋼筋錨固長度、搭接長度等相關(guān)參數(shù)。

6）高強熱軋帶肋鋼筋作為受力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在規(guī)定的荷載組合下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）完全相同。高強熱軋帶肋鋼筋作為受力鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計方法同現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）。因此，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中被采用，但鋼筋的計算參數(shù)需要調(diào)整。鋼筋代換后應(yīng)復(fù)核裂縫寬度、最小配筋率等。盡量選用直徑較小的高強熱軋帶肋鋼筋，以滿足裂縫寬度的要求。

7）配置高強鋼筋的混凝土受彎構(gòu)件撓度驗算，需要符合國家規(guī)范GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）中的第7.2 節(jié)相關(guān)要求。

8）配置高強鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，按承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算的結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析，需要符合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）的相關(guān)要求。采用塑性內(nèi)力重分布分析方法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計算時應(yīng)符合下列要求：（1）配置高強鋼筋的混凝土連續(xù)梁和連續(xù)單向板，可采用塑性內(nèi)力重分布方法進(jìn)行分析。重力荷載作用下的現(xiàn)澆連續(xù)梁以及雙向板等，經(jīng)彈性分析求得內(nèi)力后，可對支座彎矩進(jìn)行適當(dāng)調(diào)幅，并確定相應(yīng)跨中彎矩。（2）按考慮塑性內(nèi)力重分布分析方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)和軟件，應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)要求且采用有效的構(gòu)造措施。對于直接承受動力荷載的構(gòu)件，以及要求不出現(xiàn)裂縫或處于三a、三b 類環(huán)境情況下的結(jié)構(gòu)，不采用考慮塑性內(nèi)力重分布的分析方法。

6 結(jié)語

從合理性和經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行高強鋼筋和普通鋼筋比較，根據(jù)不同單體上部結(jié)構(gòu)荷載和跨度的差別，選擇合理的強度鋼筋，節(jié)省工程造價。節(jié)能減排是我國的基本國策。設(shè)計人員在合理的設(shè)計中需要綜合考慮節(jié)能減排效果，尤其大型基建項目。鋼筋作為建筑業(yè)的重要材料之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理選擇鋼筋強度等級對節(jié)約能源、降低能耗有著重要影響。在高層或大跨度建筑中推廣應(yīng)用600 MPa 高強鋼筋，可大幅減少鋼筋用量，有效降低工程造價，是實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的有效方法之一，是建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的重要舉措，對我國建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級具有重要意義。