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張帆:高強鋼筋下成本優(yōu)化與工程應用
時間:2017-07-11 21:37   來源:川北在線   責任編輯:毛青青

  高強鋼筋下成本優(yōu)化與工程應用

  張帆

  摘要:國內鋼材產量越來越高且越來越精煉,不僅有更好的受力性能,同時還能兼顧延展性能,并且在工程中運用時可以減少鋼筋數(shù)量,具備許多非常明顯且方便的好處。

  關鍵詞:高強鋼筋 成本優(yōu)勢

  一、 應用趨勢

  2012年2月,住房與城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合工信部通過了《推廣應用高清鋼筋實施方案》 (后文簡稱《方案》 ),明確提出了應在實際的工程中更加廣泛的使用HRB400級、HRB500級的高強鋼筋,以取代現(xiàn)階段使用更為常見的HRB335鋼筋,本項的目的非常明確,在產能充足的背景下,對鋼筋材料進行更加深入的研究和應用,以實現(xiàn)更節(jié)約的用料、更方便的施工、更少的運輸成本以及更迅捷的工期安排。鋼筋作為工業(yè)、民用、商用建筑當中最重要的建筑材料,如此《方案》提高標準、調整結構、技術升級的方案是行業(yè)發(fā)展思路轉變的重要節(jié)點。

  根據(jù)資料統(tǒng)計,截止2010年底,國內建筑鋼筋用量已超過1.3x108t,但當時高強鋼筋的使用量只占到總量的35%左右。而《方案》提到至2013年底在工程中淘汰HRB335級鋼筋;至2015年底,高強鋼筋產量應達到總量的80%,以及在工程實際中使用量達到總量的65%以上。

  而從筆者多年的工程實際運用看來,在消除了初始的擔心之后,無論從設計、施工、開發(fā)商、材料商等市場各主體都愿意接受,HRB400已實現(xiàn)大規(guī)模使用,而HRB500的運用雖然稍顯滯后,但也有相當廣泛的程度,以下從高強鋼筋受力原理、HRB335全面劣勢及淘汰原因、工程實例分析等方面具體論述。

  二、 高強鋼筋最小配筋率

  理論和實踐表明,構件的最小配筋率的影響因素較多,如受力形式是拉、壓、彎、剪、扭,截面形式長方形、T型、工字型、環(huán)型及尺寸大小,材料強度,荷載是動荷載還是靜荷載以及時間長短,溫度變化及內外溫差,收縮徐變程度。而確定最小配筋率的方法通常有模型法和經(jīng)驗法兩種。參考國家《混凝土結構設計規(guī)范》對鋼筋混凝土受彎構件(如梁、柱等構件)的最小配筋率具體原則:截面開裂后不會導致構件立即斷裂而造成整體失效,簡化該條件并采用數(shù)學表達式,即Mcr≤Mu

 

  根據(jù)鋼筋混凝土梁受力發(fā)展過程,以及混凝土設計規(guī)范關于正截面承載力計算的基本假定“不考慮混凝土的抗拉強度”,假定鋼筋混凝土梁達到極限承載力狀態(tài)時的截面力臂為γ*h0 (圖1),其中為γ內力臂長度系數(shù),則鋼筋混凝土梁的極限彎矩為:

  Mu=γ*h0*σy*As

  此時,σy=fy,As=ρmin*b*h0,γ=1,則

  Mu=h0*fy*ρmin*b*h0

  矩形截面純彎作用下,由于鋼筋混凝土梁開裂時鋼筋應力很低,因此忽略鋼筋作用,也即按素混凝土梁開裂彎矩考慮。根據(jù)《鋼筋混凝土原理和分析》(清華大學出版社,2003)的推導 ,鋼筋混凝土梁的開裂彎矩為:

  Mcr=0.256*ft*b*h2 ft為混凝土周鑫抗拉強度設計值

  將以上算式合并推導得到:

  ρmin=0.256*ft/fy*(h/h0)2

  而我國設計規(guī)范對于鋼筋混凝土受彎構件最小配筋率也隨著國力的增強,結構設計安全度提高及結構耐久性設計的應用,進行了修訂和提高,再考慮到材料強度的影響,更加有利于促進高強度鋼筋在工程中的大量使用;谝陨显蛞约暗貐^(qū)之間經(jīng)濟發(fā)展水平差異,完全從技術角度考慮問題不能適應復雜的實際情況,而相對考慮一定的社會性和政策性是有必要的。

  三、 高強鋼筋對成本的影響

  推廣應用HRB400、HRB500高強鋼筋不僅僅能滿足建筑行業(yè)高速發(fā)展的需要,也具有顯著的經(jīng)濟效應和社會效應。它主要的優(yōu)點在于兼具強度和延性的優(yōu)勢,以HRB500為例,鋼筋抗拉強度是HRB400的1.2倍,可大大減少受力鋼筋面積,從而減少鋼筋數(shù)量。但根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》中規(guī)定,橫向鋼筋用作受剪、受扭、受沖切承載力計算時,抗拉強度數(shù)值大于360N/mm2時取360N/mm2,無法發(fā)揮其高強度的優(yōu)勢,所以工程中應注意在箍筋、梁抗扭腰筋、筏板基礎鋼筋、柱墩柱帽鋼筋的使用中避免采用高強鋼筋,以降低采購成本。

  而在以往工程中非常常用的HRB335鋼筋抗拉強度為300N/mm2,由于強度低不適宜作為受彎構件中的受拉鋼筋,同時在受拉構件中,構件破壞通常由抗拉能力、裂縫寬度來控制,而通過大量工程實際中的計算顯示,通常構件開裂的臨界值鋼筋的受拉承載力僅為200N/mm2左右,采用成本更低的HRB235鋼筋抗拉強度為210N/mm2就足以滿足條件,也大大減少了HRB335的使用范圍。

  而大量運用高強鋼筋的直接好處是,邊際成本方面能夠減輕至少12~13%的建筑重量,這不僅僅只是減少材料成本,還減少了倉儲成本、運輸成本、搬運成本,另外還有減小構件截面的間接優(yōu)勢。

  四、具體工程案例比較


        HRB500級鋼筋在以承載力為控制計算中,與其他鋼筋相比可明顯節(jié)省材料,降低造價,以一棟五層鋼筋混凝土框架為例,混凝土等級為C35,抗震設防烈度為7度,梁柱抗震等級為二級,跨度9米,層高4.8m,平面布置如圖所示。該工程縱筋分別采用HRB335E、HRB400E、HRB500E三種鋼筋計算,鋼筋用量匯總如下表:

  受力構件鋼筋

  HRB335EHRB400EHRB500E

  框架梁/kg841147310862071

  框架柱/kg280332890228534

  總量/kg11214710201090605

  用鋼量/(kg/m2)35.432.228.6

  根據(jù)上表,本工程HRB500E比HRB400E每平米節(jié)省鋼筋3.6kg(或11.2%),比HRB335E節(jié)省鋼筋6.8kg(或19.2%)。

  五、降低施工難度

  按承載能力控制時,HRB500鋼筋可以充分發(fā)揮高強度效益,減少構件配筋率,減少鋼筋排數(shù),提高鋼筋效率,尤其是大型公建、高層建筑、大柱網(wǎng)的混凝土梁采用HRB500鋼筋效果更加突出。采用HRB500鋼筋后,同樣荷載、同樣界面的情況下,梁柱縱筋根數(shù)會減少,可以在鋼筋綁扎、混凝土澆筑時非常方便。

  五、總結

  在建筑設計中,合理的采用高強鋼筋,完全可以提高效率、節(jié)省建材、減小構件、方便澆筑、利于保證施工質量,既有經(jīng)濟優(yōu)勢又有安全性優(yōu)勢,應該在實際工程中大力推廣和采用。

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