高强钢筋在结构设计中的应用

李 星

(山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司，山西 长治 046204)

高强钢筋用于梁与柱的纵向受力钢筋、大开间楼板、基础筏板以及高层剪力墙的受力钢筋时节材效果显著。随着建筑业的快速发展，建筑钢筋已是钢材产品中消耗量最大的品种。因此在不断提高建筑钢筋的性能，特别是实现其高强度化的同时，需要合理运用低成本生产工艺，从而保障高强钢筋的社会经济效益。

1 高强钢筋的概述

普通混凝土结构中应用的高强钢筋是指强度级别为400MPa级及以上的钢筋，其通过对钢筋添加一定量的合金元素，利用微合金化技术冶炼而成。在提高钢筋强度的同时又保留了钢筋的延性。在结构设计中应用高强钢筋不仅可以优化钢筋品种、减少钢筋用量，还可有效改善梁、柱节点钢筋密集的现象，有利于混凝土浇筑质量。目前在钢筋混凝土设计中应用的HRB400、HRB500等级的热轧钢筋就属于高强钢筋。其具备以下优良特性：第一、强度高：400MPa级钢筋屈服强度标准值为400MPa、极限强度标准值为540MPa、抗拉抗压强度设计值为360MPa；500 MPa级钢筋屈服强度标准值为500MPa、极限强度标准值为630MPa、抗拉强度设计值为435MPa、抗压强度设计值为 410MPa；600MPa级钢筋则更高。第二、性能稳定，应变时效敏感性低。第三、延性好：延伸率≥14%，实际上平均延伸率可达20%。第四、冷弯性能好。第五、焊接性能良好，适应各种焊接方法。第六、强屈比高，安全储备大，能满足抗震要求，抗震性能好。

2 高强钢筋在结构设计中应用的优势及其存在的问题

2.1 高强钢筋在结构设计中应用的优势分析。

高强钢筋与普通钢筋相比，不仅完全满足了建筑用钢要求，具有较好的强度和一定的延性，同时也有效改善了钢筋的力学性能。由于高强钢筋在强度上占有很大优势，结构设计中采用高强钢筋，在提高结构安全性能的同时，可有效减少单位建筑面积的钢筋用量。因此采用高强钢筋具有极好的节材作用，降低了构件的经济成本，减少了资源的损耗，符合现阶段我国对节能减排的要求。高强钢筋的应用可以显著提高构件的配筋效率。对于一些梁柱构件，在设计中常常因为受到钢筋之间合理间距的限制，不得不加大构件的截面尺寸，导致梁柱构件混凝土用量的增加，减少了建筑的有效空间，降低了社会效益。如采用高强钢筋作为受力钢筋，可明显降低配筋的数量，使梁柱截面得到合理优化。在结构工程施工中，采用高强钢筋可以有效地降低施工难度。对于大跨度或者是重载结构，当采用普通钢筋配筋时，梁柱节点处的钢筋过于密集，造成钢筋的安装和绑扎困难。而换用高强钢筋，不仅可以减少节点的配筋数量，同时降低了钢筋的绑扎和混凝土的施工难度，便于施工管理，提高了钢筋工程的施工效率。高强钢筋较之普通钢筋生产工艺比较复杂，对技术的要求以及厂家的实力要求也比较高，因此不容易进行假冒，这在一定程度上遏制住了“瘦身钢筋”的出现，从而保证钢筋的品质，确保建筑工程的质量。

2.2 高强钢筋在结构设计中应用存在的主要问题分析

其问题主要表现在技术和推广方面。从技术方面来看，在提高钢筋强度的同时，未能很好的解决钢筋锚固长度问题，以及构件的裂缝控制等问题，限制了高强钢筋作用的发挥。从推广方面看，我国对高强钢筋相关理论研究和实验分析不够充分，配套的技术标准和规程的编制还有待完善，尚不能满足目前建筑发展的需要。在结构设计中，如采用HRB500级钢筋代替普通钢筋作为钢筋混凝土结构受弯构件的纵向受力钢筋，在相同的受弯承载力情况下，可以显著减少钢筋的用料，从而取得较好的社会经济效益。然而，在实际工程中若采用高强钢筋，在使用荷载的作用下钢筋应力会显著提高，构件的裂缝宽度和挠度可能会因此而超过限值，取代承载力计算成为控制结构设计的主要因素，高强钢筋的强度优势将难以发挥作用。针对这种情况，在新规范的编写中已经对裂缝限值的计算公式中荷载组合和受力特征系数进行了相应的调整，一定程度上放松了裂缝宽度对高强钢筋应用的限值。采用高强钢筋时，对于一类环境下的受弯构件，如果使用功能许可，其最大裂缝宽度限值可采用0.4mm，取消了《混凝土结构设计规范》中年平均相对湿度小于60%的要求；对于2a类环境下的地下室底板，当不接触腐蚀性介质时，由于底板钢筋应力偏低，而且迎水面混凝土保护层厚度较大，其最大裂缝宽度限值可放大至0.3mm。对于采用高强钢筋的结构工程，其梁柱节点处的锚固长度也是制约高强钢筋发展的一个关键。为了确保钢筋具有足够的承载力和刚度，在结构设计中必须使钢筋有足够的锚固长度。在同等条件下，钢筋的锚固长度会随着钢筋强度的变化而变化。而高强钢筋因其较高的抗拉强度值所需的锚固长度也增加了很多。这种因钢筋强度的增加而造成的锚固长度的变化将给节点处及主、次梁搭接处的构造设计和施工带来一定困扰。针对这种情况，可以通过提高混凝土等级的方式，降低钢筋锚固的长度。因此在高强钢筋的应用中，应注意钢筋与混凝土的合理搭配，选择适宜的结构形式和构件尺寸。另一方面由于高强钢筋尚在推广过程中，部分设计和施工人员对高强钢筋的品种、规格、性能和应用范围不够熟悉，对当前的高强钢筋的供货状况缺少了解，不能合理的选用钢筋。因此应加强关于高强钢筋的知识培训，保证高强钢筋的生产与供货畅通，积极推广高强钢筋试点工程，提高建筑人员采用高强钢筋作为主导钢筋的意识。

3 高强钢筋在结构设计中应用的发展方向

由于受到锚固长度和裂缝宽度等方面限制，高强钢筋更适用于不受挠度和裂缝控制的结构中，比如偏压构件、预应力结构和验算可以满足正常使用极限状态的结构等。

3.1 柱类构件

框架柱的受力特点是承受压弯与剪力为主，同时考虑拉弯和侧向稳定性的影响。根据承载力计算柱的配筋时，钢筋强度越高，钢筋的经济效益越明显，因此对于柱类构件的纵向受力钢筋按计算配筋或者是最小配筋率进行计算均可以采用500MPa级高强钢筋。同时柱内受力钢筋的锚固相较于梁更容易处理，也不受裂缝宽度的限制。因此，建议在柱类构件中推广高强钢筋的应用，有条件时应积极采用500MPa级钢筋。

3.2 板类构件

对于板类构件，主要配有承受竖向荷载和弯矩的共同作用的受力钢筋和分布钢筋。由于板类构件混凝土等级往往较低，钢筋的最小配筋率受到混凝土强度等级与钢筋强度等级比值的影响，同时又有裂缝宽度的限制，进而高强钢筋的优势难以发挥。因此，建议在板类构件中根据工程情况选用高强钢筋，如跨度大、承载力要求高或者是配筋率高，所需钢筋较大的板中应用高强钢筋。

3.3 梁类构件

作为主要承受剪力、弯矩和扭矩共同作用的梁类构件，在选用钢筋时，不仅要考虑挠度和裂缝宽度的限制，同时又要保证其在地震作用下的延性。纵向受力钢筋因其锚固的需要以及受剪计算中箍筋抗拉强度的限制，宜采用400MPa级钢筋作为其受力主筋。部分需承受较大荷载或者截面尺寸较大的梁，考虑到钢筋的经济效益和施工管理的方便，在可以满足裂缝宽度的要求情况下优先选用500MPa级钢筋。

4 结语

综上所述，随着建筑规模的不断扩大，为了适应建筑行业发展的需要，逐步推广高强钢筋的应用可以明显减少钢筋的用量，大大减少能源和资源的浪费，符合我国当前发展所推行的“节能减排”政策。虽然高强钢筋的全面推广还存在着一些难题，但是随着技术的不断完善以及经验的不断积累，以后高强钢筋必然会得到更好的应用。