热处理带肋高强钢筋在梁板结构中应用的经济性分析

2014-03-25□□，

建材技术与应用 2014年1期

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(1.南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏南京 210000；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096)

引言

我国正处于基础建设的高潮期，建筑业已成为经济社会发展的支柱型产业，与此同时也消耗着大量的钢材。若要实现可持续发展，必须调整建筑材料消耗的构成。采用高强钢筋替代工程中常用的HRB400级(以下简称三级钢筋)，不仅可以减少用钢量，降低工程造价，且可以节约生产钢材所消耗的大量能源与资源，减少污染物排放，提高结构的安全储备能力，从而带来巨大的经济效益和社会效益。

本文针对楼盖梁板体系中常见的4种布置形式，选取5个活载水平进行计算，分别得到采用三级钢筋和HTRB600高强钢筋作为受力筋，在不同布置形式下的钢筋用量与混凝土用量，分析比较了不同布置形式下采用高强钢筋替代受力三级钢筋的经济性，为推动应用高强钢筋进行工程设计提供参考。

1 理论依据

根据F=fyAS，要达到相同的抗力，提升钢筋设计强度将有效降低用钢量。针对工程中常用的三级钢筋(强度设计值360 MPa)，如采用HTRB600热处理高强钢筋(强度设计值500 MPa)来替代，理论上最大可降低用钢量28%。目前，市场上三级钢筋出厂价约4 000元/t，考虑钢筋运输、绑扎及损耗等，三级钢筋综合单价约为5 000元/t，热处理高强钢筋综合单价约为5 800元/t，钢筋综合单价提高了16%，理论上结构最高节省用钢造价16.48%。

依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[1]中的8.5.1和江苏JG/T 054—2012《热处理带肋高强度钢筋混凝土结构技术规程》[2]中的6.2.1，对于板类受弯构件(不包括悬臂板)的受拉钢筋，要求当采用强度等级400 MPa、500 MPa、600 MPa和630 MPa的钢筋时，其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/fy的较大值，低于普通钢筋混凝土板类受弯构件中最小配筋百分率采用0.20和45ft/fy的较大值的要求。JG/T 054—2012《热处理带肋高强度钢筋混凝土结构技术规程》中的6.2.2规定，直径6 mm的热处理带肋高强钢筋可用于钢筋混凝土板的板面和板底配筋，低于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中9.1.6规定的钢筋直径不宜小于8 mm的要求。在DGJ 32/J 16—2005《住宅工程质量通病控制标准》[3]中，对板筋的构造要求是钢筋直径不小于8 mm处，可用直径6 mm的热处理带肋高强钢筋替换，间距要求不变，同时应满足最小配筋率的要求。

因此，从理论上讲，采用HTRB600热处理带肋高强钢筋替代三级钢筋，可以在满足我国各项建筑设计规范、规程的基础上，有效地降低建筑结构的造价，具有可观的经济效益。

2 研究对象

某工程典型柱网尺寸为9 m×9 m，X和Y方向各取3跨作为计算模型，取正中间一柱网的结果作为研究对象。4种布置类型与主次梁尺寸如图1所示。本文针对这4种次梁布置类型，分别采用三级钢筋(强度设计值360 MPa)和HTRB600热处理带肋高强钢筋(强度设计值500 MPa)作为梁、板的受力筋配筋，构造钢筋全部采用三级钢筋，比较两种配筋方式在各个布置类型下的经济指标。

3 计算条件

楼面恒载考虑面层做法及吊顶取1.5 kN/m2，自动计算楼板自重，活载水平在2～10 kN/m2之间变化，增幅为2 kN/m2。楼板的厚度统一取120 mm，梁、柱、板的混凝土强度等级为C30，梁、板受力主钢筋分别采用HRB400和HTRB600，所有箍筋和构造配筋均采用HRB400。建立单层框架，层高3 500 mm，柱截面统一取600 mm×600 mm。在计算中不考虑风荷载及地震作用，框架抗震等级为三级。板配筋计算中采用弹性算法。三级钢筋板最小配筋率取0.2%，高强钢筋板最小配筋率取0.15%。

图1 4种次梁布置形式

此外，为保证计算结果符合结构设计规范与工程的实际要求，还规定了以下条件：

(1)框架梁端加密区长度、间距、最小直径按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中11.3.6条第3款、11.3.7条的规定：沿梁全长的顶面和底面至少应配置两根通长的纵向钢筋，三级框架不少于2Ф 12 mm。

(2)依据GB 50011—2010《建筑结构抗震设计规范》[4]中6.3.4条第3款对箍筋加密区肢距的要求，梁宽b=350 mm时，需用四肢箍；依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》9.2.13条，梁的腹板高度hw≥450 mm时，需配置对称腰筋。

(3)计算用钢量时：①钢筋的搭接和锚固长度按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的要求；②梁端上部钢筋第1排按1/3净跨长截断，第二排按1/4净跨长截断，中间用通长筋或架立筋；③箍筋分加密区和非加密区，梁端加密区长度按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中表11.3.6-2取用。

需要说明的是，在统计造价时考虑到实际工程中模板与钢筋的损耗，混凝土按1 000元/m3，三级钢筋按5 000元/t，热处理高强钢筋按5 800元/t计算。在对比分析中，如发现计算中梁出现超筋，则对该荷载下的计算结果不进行比较。

4 经济统计分析

图2为4种布置形式的每m2用钢量。由图2可知，在各种布置形式下，采用热处理高强钢筋作为梁、板受力筋，均可以有效降低结构的用钢量。但是，各种布置形式下用钢量的节省幅度有所不同。以下对框架主次梁和板配筋的用钢量节省情况分别进行讨论。

图2 4种布置形式的每m2用钢量

如图3所示，随着荷载水平的增大，采用HTRB600高强钢筋时，框架主次梁节省用钢量的效果越来越显著，且在较高的活载水平(>6 kN/m2)下，可以明显看出次梁布置形式对节省效果的影响。当次梁布置数量少、单根框架主次梁配筋量大时，采用高强钢筋将带来更为明显的经济效益。在本计算中表现为：布置形式1受力钢筋所占比例最高，其节省效果在活载6 kN/m2以上时最好；布置形式4的节省程度最小。

图3 框架主次梁节省用钢量百分比

图4显示，当采用热处理高强钢筋作为板受力筋时，由于允许采用6 mm钢筋，且其最小配筋百分率允许采用0.15和45ft/fy的较大值，节省用钢量效果明显。在不限制板配筋间距的条件下，各种布置形式相对于采用三级钢筋进行板配筋，最低可节省26.5%以上的用钢量。在2 kN/m2活载下，布置2、布置3、布置4均处于构造配筋阶段，布置形式1部分进入受力配筋阶段。随着活载水平的增大，布置2、布置3和布置4相继进入受力配筋阶段，节省用钢量的百分比进一步上升。

图4 板配筋节省用钢量百分比

图5描述了整个梁板体系每m2用钢量节省的百分比随活载水平的变化情况。随着活载水平的增大，每m2节省用钢量的百分比并非一定增长，如布置3在2～4 kN/m2的活载变化中出现了平台段，布置4在4～6 kN/m2的活载变化中也出现了平台段，这是由于在相应段的荷载变化中，框架主次梁节省用钢量的百分比变化较小，同时板配筋节省用钢量的程度也没有发生变化。但是，从整体趋势上看，采用高强钢筋节省用钢量的程度仍随着荷载水平的增大而增大。

图5 每m2节省用钢量百分比

如图6所示，三级钢筋按5 000元/t，热处理高强钢筋按5 800元/t计算，得到4种布置形式下采用热处理高强钢筋替代三级钢筋作为受力筋的经济效益计算结果。显然，采用高强钢筋配筋的经济效益十分可观，即使在2 kN/m2的低活载水平下，各个布置形式的节省用钢价格均超过10%，随着荷载水平的增长，节省的效果也越突出。

图6 每m2节省用钢价格百分比

需要说明的是，图3和图5中出现了高于理论最大节省用钢量28%的点，图6中出现了超过理论最大节省用钢造价16.48%的点，这是由于计算过程中梁配筋未考虑钢筋混搭，实际配筋量略高于计算值，且由于采用三级钢筋时单根钢筋的直径更大，浪费偏多，因此节省的百分比较理论值会更高。这也说明考虑人为配筋放大的影响时，采用高强钢筋作为梁板受力筋的经济效益将更为突出。

下面计入混凝土费用，计算本文中9 m×9 m单层单跨梁板结构的总造价。在计算中考虑模板费用，混凝土价格按照1 000元/m3计。图7显示4种布置形式所用混凝土费用的差异较大，其中布置形式4的混凝土费用最高。

图7 4种布置形式混凝土所用总价

计入混凝土费用后，三级钢筋配筋情况下，4种布置形式的结构总造价随活载变化情况见图8；HTRB600高强钢筋作为受力筋配筋情况下，4种布置形式的结构总造价随活载变化情况见图9。

图8 单跨梁板结构总造价(三级钢筋配筋)

图9 单跨梁板结构总造价(高强钢筋配筋)

由图8和图9可知，受布置形式4混凝土费用高的影响，在各个荷载水平下，布置4的结构总造价均最高；且无论采用三级钢筋还是高强钢筋作为受力筋，4种布置形式下的总造价由高到低的顺序均为：布置4、布置2、布置1、布置3。图10显示，采用HTRB600钢筋作为受力筋时，即使在较低活载水平(2 kN/m2)下，单跨梁板结构总价节省2.5%以上；而在较高荷载水平(8～10 kN/m2)下，单跨梁板结构总价可节省9%以上。