２０１０．ＮＯ．４第９卷总第７ ｄｏｉ １ ０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１ ６７１－９１ ０７ ２０１ ０．４．０３７ 建筑材料３７ 论ＨＲＢ４００级钢筋在建筑工程设计中的应用 Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆＧｒａｄｅ ＨＲＢ４００ Ｓｔｅｅｌ Ｂａｒｓ ｉｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ 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４０００１ ３） 摘要：我国建筑用钢的钢筋等级普遍偏低，导致建设成本的较大增加和自然资源的过度消耗。在国家节能减排的产业支持下， ＨＰ．Ｂ４００￣Ｉ－钢筋是当前钢筋强度升级换代的最佳选择．它的推广应用已成为我国建筑工程用钢亟待解决的问题。文中通过实际调研、理论 分析和工程实例．指出合理使用ＨＲＢ４００￣－钢筋可带来显著的经济效益。 关键词：ＨＰｄ３４００Ｊ￣ｔＡＲ筋；高强钢筋：钢筋性能：裂缝控制；经济效益 中图分类号：ＴＵ５１１．３＋２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—９１０７（２ＯＬＯ）Ｏ４—００３７—０５ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｒａｄｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｂａｒｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｌｏｗ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ｗｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｗａｓｔｅ ｏｆ ｎａｔｕｒ￣ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｏｌｉｃｉｅｓ—Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，Ｇｒａｄｅ ＨＲＢ４００ ｓｔｅｅｌ ｂａｒｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｃｈｏｉｃｅ ｉｎ ｕｐｄａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｂａｒ ｇｒａｄｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｂｕｒｎｉｎｇ ｉｓｓｕｅ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅａ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ ａｃｔｕａｌ ｅｓｅａｒｃｈ，ｔｒｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＲＢ４００ ｓｔｅｅｌ ｂａｒｓ ｃａｒｌ ｂｒｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｓｉｇｎｉｉｃａｆｎｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｆｏｒ ｈｅ ｔｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｕｓｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｄｅ ＨＲＢ４００ Ｓｔｅｅｌ Ｂａｒｓ；ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ ｂａｒｓ；ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆｓｔｅｅｌ ｂａｒｓ；ｃｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ 人认为ＨＲＢ４００级钢筋的塑性、抗震性能、疲劳性能、机械连 １钢筋应用现状调研及分析 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 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 （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｛１ｌ 有要求 、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 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 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。 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 收稿日期２０１０—２—９ 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ｎＩ的最大裂缝宽度公式进行推导并带入 ｒ＝２．１； Ｅｓ＝２．Ｏｘｌ ０ Ｎ／ａｍ 后得到：ｒ 作者简介：徐革（１９６６一），男，重庆人，教授级高级工程师，中冶赛迪 工程技术股份有限公司建筑市政设计院副院长，主要从事建筑结构 设计和管理工作 龚国琴（１９６５一），女，重庆人，教授级高级工程师，中冶赛迪工 程技术股份有限公司建筑市政设计院主任工程师，主要从事建筑结 构设计工作 韦胜平（１９８３一），男，重庆人，工程师，中冶赛迪工程技术股份 有限公司建筑市政设计院工程师，主要从事建筑结构设计工作。 Ｏ＇ｓｋ＝ １１ ｘ￣ｏｘ１０ｓ ｆｔｋ＋ 髓 —ｌ，广一十．Ｕ Ｏ９＝Ｊ９ ，１． ０吼（１．９ｃ＋Ｏ．Ｏ８—旦） 。 ．【Ｊ（１） Ｉ ．其中，盯 为荷载效应标准组合计算下的钢筋混凝土构件纵向 ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＡｒｃ＆ｉｔｏｃｔｕ￣ 重庆建筑 受拉钢筋的应力。其它参数含义见规范｛”。可见，影响盯 的参数 包括：Ｏ￥ｒｍｘ、ｃ、ｄ阳、ＰＩｅ、 。在ｃ、ｄ叩、Ｐ饱、ｆ 一定的情况下，盯 随（１） 的增大而增大，当（Ｉ）～增大到（１）¨ｍ时，盯ｓｌ（即为裂缝宽度控制下纵 向受拉钢筋的最大应力 由图１：ｄ。ｑ＝１２～１６ｍｍ时，ｐ｛ｅ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；ｄ。。＝１８—２５ｍｍ 时，不论ｐ 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１２～２Ｏｍｍ，板的 根据ｔＯ 、Ｃ对建筑工程中常用的受弯构件进行分类。（１） ０３ ＝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）（Ｉ） ＝０．２、ｃ＝３０：二（ａ） 类环境下的基础梁：（３）（＾） ＝Ｏ．３、ｃ＝２０：一类环境下的板类构 经济配筋率 ｐ为０．４％～Ｏ．８％，即ｐｌｅ为Ｏ．８％一１．６％，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。 件，如：楼板；（４）‘１） ＝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／ｍｍ 。选定‘１）ｂｍ、ｃ及 值后，则可找到 ｓｋ与ｐｌｅ、ｄ。ｑ的关系。钢筋最大应力计算中，ｐｌｅ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 ）ｂＯ－５．０％。对于矩形截面ｐｌｅ＝２ｐ，ｐ为纵向 受拉钢筋配筋率 图１～图４中，Ｘ轴为ｐ ，Ｙ轴为盯 ，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Ｐ ＥＯ一５．０％范围内的纵向受拉钢筋最大拉应力。文献 ［８１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ＬｔＣｐ＝Ｏ．７９时，能满足规范对可靠指标的要求。故本 文分析时，ＡＣＰ＝Ｏ．７９，即１／Ｃ ＝１．２６６。用于承载力计算下的钢 筋抗拉强度设计值为仃 ，则裂缝宽度计算下的钢筋最大应力为 盯ｓｋ＝盯９，１．２６６。当裂缝控制时，若裂缝控制下的钢筋最大应力小 于 ，则其承载力控制下的钢筋最大应力小于 。，即钢筋强度 图２：二（ａ）类环境下的基础梁 由图２：ｄ。。＝１２、１４ｍｍ，Ｐ 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／ｍｍ 。二（ａ）类环境下的基础梁，不宜使用ＨＲＢ４００级或 更高强度的钢筋。 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Ｙｏ３ＯＯＮ／ｍｍ２、３６ＯＮ／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３Ｏ０／１．２６６＝ ２３７Ｎ／ｍｍ 、３６Ｏ／１．２６６＝２８４Ｎ／ｍｍ 。 下面分别对这四类构件进行分析 ５ Ｏ 图３：一类环境下的板类构件 由图３：ｄ。。＝８～１４ｍｍ时，不论Ｐ 取值多少，均能使ＨＲＢ４００ 级钢筋的强度充分发挥；ｄ ＝１６～２５ｍｍ时，ｐ 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Ｐ多少．均可以采用 图１二（ａ）类环境下的板、挡土墙类构件 ＨＲＢ４００级钢筋作为其主要受力钢筋．而无需担心裂缝宽度限 ２０１０．ＮＯ．４第９卷总第７８期 论ＨＲＢ４００级钢筋在建筑工程设计中的应用 建筑材料３９ 制影响到ＨＲＢ４００级钢筋强度的发挥。 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 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》 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 图４：一类环境的梁 由图４：ｄ ＝１２ｍｍ时，不论ｐ 。取值多少，均能使ＨＲＢ４００级 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 钢筋的强度得到充分发挥；ｄ ＝１４～２５ｍｍ时，ｐｆｅ分别不小于 １．１％、１．８％、２．２％、２．６％、３．０％和３．６％时，ＨＲＢ４００级钢筋的 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 强度才能充分发挥。一类环境下的梁，其经济配筋率 ｐ为 ０．６％～１．５％，即ｐ 在１．２％～３．０％，常用直径１４～２５ｍｍ，Ｐｅ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 ＨＲＢ２３５级 ＨＲＢ３３５级 ０．２７２％ ０．２００％ ０．２００％ ０ ３０６％ ０ ２１５％ ０ ３３６％ ０ ２３６％ ０ ２００％ ０．３６６％ ０ ２５７％ ０．２１４％ ＨＲＢ４００级 ０ ２００％ ＨＲＢ４００与ＨＲＢ２３５比 较．节省比例 ＨＲＢ４００与ＨＲＢ３３５比 ２６ ５％ ３４．６％４０．５％４１．５％ ０．０％ ７ ０％ １５ ３％ １６ ７％ 较．节省比例 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 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 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。 ２ｌ２＿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…在注释中明确指出：柱全部纵向受力钢筋最小配筋 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【ｑ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 百分率，当采用ＨＲＢ４００级钢筋时，应按表中数值减小Ｏ．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 相比，延伸率降低、塑性降低；抗震性能受塑性、疲劳性能影响 重庆建筑 Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 表２柱采用ＨＲＢ４００级或ＨＲＢ３３５级钢筋的全截面最小配筋率比较 ２．３．２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／ｍｍ 和３６０ Ｎ／ ＨＲＢ３３５级 １ ０％１０．０％ ０ ８％１２．５％ ０ ７％１４．３％ ０ ６％ １６ ７％ ｍｍ ，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 框架中柱、 边柱 ＨＲＢ４００级 ０ ９％ ０ ７％ ０ ６％ ０ ５％ 方面 全截面最小配筋率控制 ＨＲＢ３３５级 １．２％ ８ ３％ １．０％１０ ０％ ０ ９％１１ １％ ０ ８％ １２ ５％ 框架角柱、 框支柱 ＨＲＢ４００级 １ １％０ ９％０．８％０ ７％ 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 范注释中减ｄ ｘＯ．１的要求控制 柱采用ＨＲＢ４００与ＨＲＢ３３５级钢 ８＿３％～１６．７％，钢筋成本节省范围为２．８％～１ １．７％（按 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 ＨＲＢ４００级钢筋高出ＨＲＢ３３５级钢筋６％的价格计算１４ｔ）。同时还 ＨＲＢ３３５级钢筋而言，采用ＨＲＢ４００级钢筋时，框架中柱、边柱 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 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 问题。可见，框架柱采用ＨＲＢ４０Ｏ比ＨＲＢ３３５级钢筋有明显的优 筋率减少了１Ｏ．０％．且减少的程度随着抗震等级的降低而增 势 大。 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 某工程为五层现浇混凝土框架结构。表３显示：柱采用 ＨＲＢ４００级钢筋比采用ＨＲＢ３３５级钢筋的用钢量节省１３．８％． 符合了框架柱采用ＨＲＢ４００级钢筋比ＨＲＢ３３５级钢筋可节省 ３工程实例与分析 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级钢筋的区另０。 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 ８．３％～１６．７％用钢量的结论。本工程钢筋成本节约８．６％（按 ＨＲＢ４００级钢筋高出ＨＲＢ３３５级钢筋６％的价格计算）。 表３柱采用ＨＲＢ３３５级或ＨＲＢ４００级钢筋的用钢量比较 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￣ｇ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％～ ＨＲＢ３３５ ０ ９２ ０４９ ０４６ Ｏ４４ ０ ５４ ２．８５ １４％ ＨＲＢ４００ ０ ７８ ０４２ ０４０ ０．３９ ０４６ ２ ４５ ３８．２％ｆ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， ４结论与建议 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 ４．１结论
