论HRB400级钢筋在建筑工程设计中的应用

2010-02-09徐革龚国琴韦胜平

重庆建筑 2010年4期

关键词：筋率楼板抗震

徐革，龚国琴，韦胜平

(中冶赛迪工程技术股份有限公司建筑市政设计院重庆 400013)

1 钢筋应用现状调研及分析

通过对钢筋应用现状及人们对钢筋性能认识的了解，可以获知现阶段仍大量使用HRB235级、HRB335级钢筋，少用甚至不用HRB400级钢筋的真正原因。本文共搜集120份调研材料，被调查范围是从事建筑行业的设计、建设、施工等单位的专业人员。

从调研中可以看出制约HRB400级钢筋应用的主要因素：

（1）裂缝控制。裂缝控制会直接影响到钢筋混凝土构件钢筋强度的发挥程度。裂缝控制下若采用HRB400级钢筋，势必会导致强度发挥不足而浪费材料。区分是否为裂缝控制及如何有效地避免出现裂缝控制、发挥钢筋强度是HRB400级钢筋推广应用首要解决的问题。

（2）使用性能及产品质量稳定性。HRB400级钢筋的使用性能及产品质量稳定性直接关系到工程的质量，也是决定其自身能否被大众接受并采用的先决条件。调研中，超过半数的人认为HRB400级钢筋的塑性、抗震性能、疲劳性能、机械连接、焊接性能不如HRB335级钢筋。可见，对HRB400级钢筋性能的担忧，是制约其推广应用的重要因素。

（3）最小配筋率。受弯构件的一侧受拉钢筋最小配筋率及受压构件的全部纵向钢筋最小配筋率均与钢筋级别有关。调研中，相当比例的人认为对最小配筋率在规范[1]、[2]有限制要求的构件，不宜采用HRB400等高强钢筋。可见，最小配筋率控制是影响人们选择HRB400级钢筋推广应用的另一个重要因素。

（4）对投资影响的认识。一个工程的投资是综合成本的体现，投资者并不能预先知道工程中使用HRB400级钢筋会带来材料量的减少使钢材总投资减少；但比HRB335级钢筋单价成本高确是显而易见的，因此，很容易使投资者产生抵触应用的意识。当HRB400级钢筋的价值真正被建设各方所认同，人们就会主动应用而不需要国家花费大量精力去倡导和推广了。

2 HRB400级钢筋性能综合分析

2.1 钢筋强度发挥与裂缝宽度

对规范[1]的最大裂缝宽度公式进行推导并带入αcr=2.1；Es=2.0x105N/mm2后得到：

其中，σsk为荷载效应标准组合计算下的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力。其它参数含义见规范[1]。可见，影响σsk的参数包括：ωmax、c、deq、ρte、ftk。在c、deq、ρte、ftk一定的情况下，σsk随ωmax的增大而增大，当ωmax增大到ωlim时，σsk即为裂缝宽度控制下纵向受拉钢筋的最大应力。

根据ωlim、c对建筑工程中常用的受弯构件进行分类。（1）ωlim=0.2、c=20：二（a）类环境下的板、墙类构件，如：基础底板、地下室底板、钢筋混凝土挡土墙等；（2）ωlim=0.2、c=30：二（a）类环境下的基础梁；（3）ωlim=0.3、c=20：一类环境下的板类构件，如：楼板；（4）ωlim=0.3、c=25：一类环境的梁。受弯构件普遍采用C30混凝土，本文取C30， ftk=2.01N/mm2。选定ωlim、c及ftk值后，则可找到σsk与ρte、deq的关系。钢筋最大应力计算中，ρte为强度控制下、按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，这里取ρte为0～5.0%。对于矩形截面ρte=2ρ，ρ为纵向受拉钢筋配筋率。

图1～图4中，X轴为ρte，Y轴为σsk，右侧为钢筋直径12～25mm，曲线表示荷载效应标准组合计算下，该构件有效截面配筋率ρte在0～5.0%范围内的纵向受拉钢筋最大拉应力。文献[8]指出用于裂缝宽度验算的标准组合与用于承载力计算的基本组合之比CP=0.79时，能满足规范对可靠指标的要求。故本文分析时，取CP=0.79，即1/CP=1.266。用于承载力计算下的钢筋抗拉强度设计值为σs，则裂缝宽度计算下的钢筋最大应力为σsk=σs/1.266。当裂缝控制时，若裂缝控制下的钢筋最大应力小于σsk，则其承载力控制下的钢筋最大应力小于σs，即钢筋强度达不到充分发挥。用于承载力计算的HRB335级、HRB400级钢筋的抗拉强度设计值分别为300N/mm2、360N/mm2，则裂缝宽度验算的构件纵向受拉钢筋最大拉应力分别为300/1.266=237N/mm2、360/1.266=284N/mm2。

下面分别对这四类构件进行分析。

图1 二（a）类环境下的板、挡土墙类构件

由图1： deq=12～16mm时，ρte分别不小于2.9%、3.6%、4.4%时，HRB400级钢筋的强度才能充分发挥；deq=18～25mm时，不论ρte取值多少，均无法充分发挥HRB400级钢筋的强度。二（a）类环境下的板、挡土墙，其常用直径为12～20mm，板的经济配筋率[9]ρ为0.4%～0.8%，即ρte为0.8%～1.6%，故不宜使用HRB400级或更高强度的钢筋，因为无法充分发挥其高强度而造成浪费。

图2 ：二（a）类环境下的基础梁

由图 2：deq=12、14mm，ρte分别不小于 3.3% 、4.4% ，HRB335级钢筋的强度才能充分发挥；曲线的最大值小于284N/mm2。二（a）类环境下的基础梁，不宜使用HRB400级或更高强度的钢筋。

图3 ：一类环境下的板类构件

由图3：deq=8～14mm时，不论ρte取值多少，均能使HRB400级钢筋的强度充分发挥；deq=16～25mm时，ρte分别不小于1.3%、1.7%、2.1%、2.4%、2.9%时，HRB400级钢筋的强度才能充分发挥。一类环境下的板，其常用直径为8～14mm，故在此直径范围内的楼板，不论其配筋率ρ多少，均可以采用HRB400级钢筋作为其主要受力钢筋，而无需担心裂缝宽度限制影响到HRB400级钢筋强度的发挥。

图4 ：一类环境的梁

由图4：deq=12mm时，不论ρte取值多少，均能使HRB400级钢筋的强度得到充分发挥；deq=14～25mm时，ρte分别不小于1.1%、1.8%、2.2%、2.6%、3.0%和3.6%时，HRB400级钢筋的强度才能充分发挥。一类环境下的梁，其经济配筋率[9]ρ为0.6%～1.5%，即ρte在1.2%～3.0%，常用直径14～25mm，ρte应分别不小于上值时，HRB400级钢筋的强度才能充分发挥。故梁纵向钢筋采用HRB400级钢筋时，应注意裂缝宽度的验算。

小结：裂缝控制是否会限制HRB400级钢筋强度的发挥应区别对待。一类环境下的楼板，常用直径下钢筋强度可以得到充分发挥而无需考虑裂缝控制；一类环境下的梁，应注意钢筋直径的选择和裂缝宽度的验算；二（a）类环境下的底板、挡墙、基础等构件，不宜采用HRB400级钢筋。

2.2 HRB400级钢筋的使用性能

在阐述HRB400级钢筋的使用性能之前，需要先了解HRB400级钢筋的化学成分和生产工艺。Ⅲ级钢筋的发展经历了两个重要的阶段，分别以Mn-Si系钢的25MnSi（老Ⅲ级）和以微合金化工艺生产的HRB400级（新Ⅲ级）钢筋为代表。25MnSi钢筋与HRB335级钢筋一样，是属以碳为主导强化机制生产而成，通过提高碳的含量从而提高钢的强度，但钢的塑、韧性损失也很明显，特别是焊接性能等钢材综合使用性能恶化。HRB400级钢筋是在不提高碳含量的条件下，通过微合金技术向钢中添加微量合金元素钒（V）、铌（Nb）或钛（Ti）等，从而获得高强度和高塑、韧性的钢材。

文献[5]列出了钢中添加钒、钛等对建筑钢材性能的影响。HRB400级钢筋多是添加了微量元素钒，故与HRB335级钢筋相比，延伸率降低、塑性降低；抗震性能受塑性、疲劳性能影响较大，HRB400级钢筋的塑性有所降低，但疲劳性能得到大幅提高，抗震性能是否提高很难衡量。文献[6]论证了HRB400级钢筋作为框架柱的受力钢筋，可明显改善框架结构的抗震性能。钒对可焊性影响不大，故HRB400与HRB335级钢筋的可焊性能相差不大，而调研中普遍认为HRB400级钢筋的可焊性能不如HRB335级钢筋，且认为是HRB400级钢筋的碳含量的增加所致，故这种认知还是停留在老Ⅲ级钢筋的基础上，不再适用于HRB400级钢筋。文献[7]通过试验论证了HRB400级钢筋的抗震性能、疲劳性能、焊接性能、粘结性能均能达到相关标准的规定。更何况，《建筑抗震设计规范》[3]指出普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋，并将HRB400级钢筋放在纵向受力钢筋的首选位置。可见，HRB400级钢筋的各方面性能是良好的。

2.2.1 受弯构件采用HRB400与HRB235、HRB335级钢筋的最小配筋率比较

表1 受弯构件一侧受拉钢筋的最小配筋百分率

受弯构件一侧受拉钢筋的最小配筋率见表1。混凝土等级为C30时，板受力钢筋采用HRB400级钢筋与HRB235级钢筋相比，最小配筋率之比为0.200%∶0.306%，节省板受力钢筋用量34.6%；梁受力钢筋采用HRB400级钢筋与HRB335级钢筋相比，最小配筋率比为0.200%∶0.215%，节省梁受力钢筋用量7.0%。且节省比例随混凝土等级的提高而增大。

2.2.2 框架柱采用HRB400级钢筋与HRB335级钢筋的最小配筋率比较

规范[1]在注释中明确指出：柱全部纵向受力钢筋最小配筋百分率，当采用HRB400级钢筋时，应按表中数值减小0.1，且普遍使用的SATWE程序(2005版)在计算配筋时，若框架柱采用HRB400级钢筋作为纵向受力钢筋，配筋输出确实是按照规范注释中减小0.1的要求控制。柱采用HRB400与HRB335级钢筋的全截面最小配筋率比较见表2。当抗震等级为二级，相比HRB335级钢筋而言，采用HRB400级钢筋时，框架中柱、边柱的全截面最小配筋率减少了12.5%，框架角柱的全截面最小配筋率减少了10.0%，且减少的程度随着抗震等级的降低而增大。

表2 柱采用HRB400级或HRB335级钢筋的全截面最小配筋率比较

2.3 使用HRB400级钢筋的经济效益分析

根据设计经验和笔者调查认为，楼板及框架柱纵向受力钢筋在建筑工程中占有相当的比重，一般在50%以上，合理地选择楼板和框架柱的纵向受力钢筋等级可很大程度上节约钢筋成本。下面分别以楼板和框架柱为例，说明采用HRB400级钢筋与采用HRB235级、HRB335级钢筋的区别。

2.3.1 楼板采用HRB400级钢筋与HRB235级钢筋的比较

对钢筋强度发挥与裂缝宽度控制的分析可见，一类环境下楼板钢筋在常用直径8～14mm下采用HRB400级钢筋，均为承载力或最小配筋率控制，不存在裂缝控制问题。计算配筋方面：HRB230级、HRB400级钢筋的抗拉强度比为1︰1.714，即承载力控制下楼板采用HRB400级钢筋，相比HRB235级钢筋，最大节省比例为41.7%。构造方面：最小配筋率控制下的最小节省比例为34.6%（取C30混凝土计算）。综合而言，钢筋用量节省范围为34.6%～41.7%，钢筋成本节省范围为30.7%～38.2%（以HRB400级钢筋高出HRB235级钢筋6%的价格计算[4]）。节省的钢筋量约占楼板受力钢筋总量的三分之一。可见，楼板钢筋采用HRB400级钢筋相比采用HRB235级钢筋有无可比拟的优势。

2.3.2 框架柱采用HRB335级钢筋与HRB400级钢筋的比较

计算配筋方面：HRB335级和HRB400级钢筋的抗拉强度设计值分别是300N/mm2和360 N/mm2，强度比为1︰1.2。即承载力控制下，使用HRB400级钢筋可节约16.7%左右的钢筋量。构造方面：全截面最小配筋率控制下，HRB400级钢筋相比HRB335级钢筋可节省8.3%～16.7%。综合而言，HRB400级钢筋比HRB335级钢筋工程量可节省8.3%～16.7%，钢筋成本节省范围为2.8%～11.7%（按HRB400级钢筋高出HRB335级钢筋6%的价格计算[4]）。同时还可以改善梁柱节点因钢筋过密带来的诸多设计、施工方面的问题。可见，框架柱采用HRB400比HRB335级钢筋有明显的优势。