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(1.南京市建筑設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

引言

我國正處于基礎(chǔ)建設(shè)的高潮期，建筑業(yè)已成為經(jīng)濟社會發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，與此同時也消耗著大量的鋼材。若要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須調(diào)整建筑材料消耗的構(gòu)成。采用高強鋼筋替代工程中常用的HRB400級(以下簡稱三級鋼筋)，不僅可以減少用鋼量，降低工程造價，且可以節(jié)約生產(chǎn)鋼材所消耗的大量能源與資源，減少污染物排放，提高結(jié)構(gòu)的安全儲備能力，從而帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

本文針對樓蓋梁板體系中常見的4種布置形式，選取5個活載水平進行計算，分別得到采用三級鋼筋和HTRB600高強鋼筋作為受力筋，在不同布置形式下的鋼筋用量與混凝土用量，分析比較了不同布置形式下采用高強鋼筋替代受力三級鋼筋的經(jīng)濟性，為推動應(yīng)用高強鋼筋進行工程設(shè)計提供參考。

1 理論依據(jù)

根據(jù)F=fyAS，要達到相同的抗力，提升鋼筋設(shè)計強度將有效降低用鋼量。針對工程中常用的三級鋼筋(強度設(shè)計值360 MPa)，如采用HTRB600熱處理高強鋼筋(強度設(shè)計值500 MPa)來替代，理論上最大可降低用鋼量28%。目前，市場上三級鋼筋出廠價約4 000元/t，考慮鋼筋運輸、綁扎及損耗等，三級鋼筋綜合單價約為5 000元/t，熱處理高強鋼筋綜合單價約為5 800元/t，鋼筋綜合單價提高了16%，理論上結(jié)構(gòu)最高節(jié)省用鋼造價16.48%。

依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]中的8.5.1和江蘇JG/T 054—2012《熱處理帶肋高強度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中的6.2.1，對于板類受彎構(gòu)件(不包括懸臂板)的受拉鋼筋，要求當采用強度等級400 MPa、500 MPa、600 MPa和630 MPa的鋼筋時，其最小配筋百分率應(yīng)允許采用0.15和45ft/fy的較大值，低于普通鋼筋混凝土板類受彎構(gòu)件中最小配筋百分率采用0.20和45ft/fy的較大值的要求。JG/T 054—2012《熱處理帶肋高強度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的6.2.2規(guī)定，直徑6 mm的熱處理帶肋高強鋼筋可用于鋼筋混凝土板的板面和板底配筋，低于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中9.1.6規(guī)定的鋼筋直徑不宜小于8 mm的要求。在DGJ 32/J 16—2005《住宅工程質(zhì)量通病控制標準》[3]中，對板筋的構(gòu)造要求是鋼筋直徑不小于8 mm處，可用直徑6 mm的熱處理帶肋高強鋼筋替換，間距要求不變，同時應(yīng)滿足最小配筋率的要求。

因此，從理論上講，采用HTRB600熱處理帶肋高強鋼筋替代三級鋼筋，可以在滿足我國各項建筑設(shè)計規(guī)范、規(guī)程的基礎(chǔ)上，有效地降低建筑結(jié)構(gòu)的造價，具有可觀的經(jīng)濟效益。

2 研究對象

某工程典型柱網(wǎng)尺寸為9 m×9 m，X和Y方向各取3跨作為計算模型，取正中間一柱網(wǎng)的結(jié)果作為研究對象。4種布置類型與主次梁尺寸如圖1所示。本文針對這4種次梁布置類型，分別采用三級鋼筋(強度設(shè)計值360 MPa)和HTRB600熱處理帶肋高強鋼筋(強度設(shè)計值500 MPa)作為梁、板的受力筋配筋，構(gòu)造鋼筋全部采用三級鋼筋，比較兩種配筋方式在各個布置類型下的經(jīng)濟指標。

3 計算條件

樓面恒載考慮面層做法及吊頂取1.5 kN/m2，自動計算樓板自重，活載水平在2～10 kN/m2之間變化，增幅為2 kN/m2。樓板的厚度統(tǒng)一取120 mm，梁、柱、板的混凝土強度等級為C30，梁、板受力主鋼筋分別采用HRB400和HTRB600，所有箍筋和構(gòu)造配筋均采用HRB400。建立單層框架，層高3 500 mm，柱截面統(tǒng)一取600 mm×600 mm。在計算中不考慮風荷載及地震作用，框架抗震等級為三級。板配筋計算中采用彈性算法。三級鋼筋板最小配筋率取0.2%，高強鋼筋板最小配筋率取0.15%。

圖1 4種次梁布置形式

此外，為保證計算結(jié)果符合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范與工程的實際要求，還規(guī)定了以下條件：

(1)框架梁端加密區(qū)長度、間距、最小直徑按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中11.3.6條第3款、11.3.7條的規(guī)定：沿梁全長的頂面和底面至少應(yīng)配置兩根通長的縱向鋼筋，三級框架不少于2Ф 12 mm。

(2)依據(jù)GB 50011—2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》[4]中6.3.4條第3款對箍筋加密區(qū)肢距的要求，梁寬b=350 mm時，需用四肢箍；依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》9.2.13條，梁的腹板高度hw≥450 mm時，需配置對稱腰筋。

(3)計算用鋼量時：①鋼筋的搭接和錨固長度按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求；②梁端上部鋼筋第1排按1/3凈跨長截斷，第二排按1/4凈跨長截斷，中間用通長筋或架立筋；③箍筋分加密區(qū)和非加密區(qū)，梁端加密區(qū)長度按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中表11.3.6-2取用。

需要說明的是，在統(tǒng)計造價時考慮到實際工程中模板與鋼筋的損耗，混凝土按1 000元/m3，三級鋼筋按5 000元/t，熱處理高強鋼筋按5 800元/t計算。在對比分析中，如發(fā)現(xiàn)計算中梁出現(xiàn)超筋，則對該荷載下的計算結(jié)果不進行比較。

4 經(jīng)濟統(tǒng)計分析

圖2為4種布置形式的每m2用鋼量。由圖2可知，在各種布置形式下，采用熱處理高強鋼筋作為梁、板受力筋，均可以有效降低結(jié)構(gòu)的用鋼量。但是，各種布置形式下用鋼量的節(jié)省幅度有所不同。以下對框架主次梁和板配筋的用鋼量節(jié)省情況分別進行討論。

圖2 4種布置形式的每m2用鋼量

如圖3所示，隨著荷載水平的增大，采用HTRB600高強鋼筋時，框架主次梁節(jié)省用鋼量的效果越來越顯著，且在較高的活載水平(>6 kN/m2)下，可以明顯看出次梁布置形式對節(jié)省效果的影響。當次梁布置數(shù)量少、單根框架主次梁配筋量大時，采用高強鋼筋將帶來更為明顯的經(jīng)濟效益。在本計算中表現(xiàn)為：布置形式1受力鋼筋所占比例最高，其節(jié)省效果在活載6 kN/m2以上時最好；布置形式4的節(jié)省程度最小。

圖3 框架主次梁節(jié)省用鋼量百分比

圖4顯示，當采用熱處理高強鋼筋作為板受力筋時，由于允許采用6 mm鋼筋，且其最小配筋百分率允許采用0.15和45ft/fy的較大值，節(jié)省用鋼量效果明顯。在不限制板配筋間距的條件下，各種布置形式相對于采用三級鋼筋進行板配筋，最低可節(jié)省26.5%以上的用鋼量。在2 kN/m2活載下，布置2、布置3、布置4均處于構(gòu)造配筋階段，布置形式1部分進入受力配筋階段。隨著活載水平的增大，布置2、布置3和布置4相繼進入受力配筋階段，節(jié)省用鋼量的百分比進一步上升。

圖4 板配筋節(jié)省用鋼量百分比

圖5描述了整個梁板體系每m2用鋼量節(jié)省的百分比隨活載水平的變化情況。隨著活載水平的增大，每m2節(jié)省用鋼量的百分比并非一定增長，如布置3在2～4 kN/m2的活載變化中出現(xiàn)了平臺段，布置4在4～6 kN/m2的活載變化中也出現(xiàn)了平臺段，這是由于在相應(yīng)段的荷載變化中，框架主次梁節(jié)省用鋼量的百分比變化較小，同時板配筋節(jié)省用鋼量的程度也沒有發(fā)生變化。但是，從整體趨勢上看，采用高強鋼筋節(jié)省用鋼量的程度仍隨著荷載水平的增大而增大。

圖5 每m2節(jié)省用鋼量百分比

如圖6所示，三級鋼筋按5 000元/t，熱處理高強鋼筋按5 800元/t計算，得到4種布置形式下采用熱處理高強鋼筋替代三級鋼筋作為受力筋的經(jīng)濟效益計算結(jié)果。顯然，采用高強鋼筋配筋的經(jīng)濟效益十分可觀，即使在2 kN/m2的低活載水平下，各個布置形式的節(jié)省用鋼價格均超過10%，隨著荷載水平的增長，節(jié)省的效果也越突出。

圖6 每m2節(jié)省用鋼價格百分比

需要說明的是，圖3和圖5中出現(xiàn)了高于理論最大節(jié)省用鋼量28%的點，圖6中出現(xiàn)了超過理論最大節(jié)省用鋼造價16.48%的點，這是由于計算過程中梁配筋未考慮鋼筋混搭，實際配筋量略高于計算值，且由于采用三級鋼筋時單根鋼筋的直徑更大，浪費偏多，因此節(jié)省的百分比較理論值會更高。這也說明考慮人為配筋放大的影響時，采用高強鋼筋作為梁板受力筋的經(jīng)濟效益將更為突出。

下面計入混凝土費用，計算本文中9 m×9 m單層單跨梁板結(jié)構(gòu)的總造價。在計算中考慮模板費用，混凝土價格按照1 000元/m3計。圖7顯示4種布置形式所用混凝土費用的差異較大，其中布置形式4的混凝土費用最高。

圖7 4種布置形式混凝土所用總價

計入混凝土費用后，三級鋼筋配筋情況下，4種布置形式的結(jié)構(gòu)總造價隨活載變化情況見圖8；HTRB600高強鋼筋作為受力筋配筋情況下，4種布置形式的結(jié)構(gòu)總造價隨活載變化情況見圖9。

圖8 單跨梁板結(jié)構(gòu)總造價(三級鋼筋配筋)

圖9 單跨梁板結(jié)構(gòu)總造價(高強鋼筋配筋)

由圖8和圖9可知，受布置形式4混凝土費用高的影響，在各個荷載水平下，布置4的結(jié)構(gòu)總造價均最高；且無論采用三級鋼筋還是高強鋼筋作為受力筋，4種布置形式下的總造價由高到低的順序均為：布置4、布置2、布置1、布置3。圖10顯示，采用HTRB600鋼筋作為受力筋時，即使在較低活載水平(2 kN/m2)下，單跨梁板結(jié)構(gòu)總價節(jié)省2.5%以上；而在較高荷載水平(8～10 kN/m2)下，單跨梁板結(jié)構(gòu)總價可節(jié)省9%以上。

5 結(jié)語

圖10 單跨梁板結(jié)構(gòu)總價降低百分比

針對梁板結(jié)構(gòu)中常見的4種布置形式，分別采用HTRB600高強鋼筋替代三級鋼筋作為受力筋進行了計算比較。結(jié)果表明，采用熱處理帶肋高強鋼筋在各種布置形式和多種活載水平下均具有明顯的經(jīng)濟效益，其經(jīng)濟效果隨著荷載的增大而增大，當然各個布置形式下的經(jīng)濟效益有所不同。

隨著熱處理高強鋼筋的不斷推廣應(yīng)用，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當對不同荷載水平下樓蓋布置形式的經(jīng)濟性有更為全面的了解，在滿足規(guī)范要求和結(jié)構(gòu)安全性的前提下，積極開拓思路，為業(yè)主提供更為經(jīng)濟的設(shè)計方案，也為社會節(jié)約更多的材料和能源，為實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展盡一份力。

參考文獻：

[1] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 蘇JG/T 054—2012，熱處理帶肋高強度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].南京：江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，2012.

[3] DGJ 32/J 16—2005，住宅工程質(zhì)量通病控制標準[S].南京：江蘇省建設(shè)廳，2005.

[4] GB 50011—2010，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.