配置高強鋼筋混凝土的經濟效益分析

韓孟君 ，郝松碩，張文康，王小慶，趙東東，顏懷宇

（1.安徽建工集團股份有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

1 背景分析

中國地域遼闊，人口數量眾多，所以我國的建筑數量也是非常龐大的[1]。現如今，傳統的建筑比重正在逐漸減少，一些新興的建筑類型也慢慢興起，建筑逐漸向著超高層和大跨度的方向發展，對于鋼筋混凝土的強度和安全性提出了更高的要求。隨著環保意識的逐漸加強，相較于普通鋼筋，使用高強鋼筋對節能減排、節省材料也有著重大的意義，所以開發利用高強度鋼筋成為了重要的研究方向。

1.1 建筑中鋼筋混凝土的發展現狀

圖1 北京大興國際機場

圖2 港珠澳大橋

目前，我國的建筑業正處在一個蓬勃發展的時代，對于鋼筋混凝土的消耗也是非常巨大的。在現代建筑中，鋼筋混凝土已然成為了主流的建筑材料，我國目前以HRB400等普通鋼筋為主，對高強鋼筋HRB635鋼筋的使用比例還比較小。HRB635高強鋼筋有著強度高、延展性好、塑性好，易焊接等優點[2-3]，而且高強鋼筋在受力性能上也明顯優于普通鋼筋。

1.2 高強鋼筋的國內外發展現狀

1.2.1 國內研究現狀

2007年，500MPa級鋼筋混凝土做過偏心受壓試驗，從破壞形態和承載力等方面分析，并得出結論，500MPa的鋼筋可以和混凝土同時使用，但是鋼筋的發揮比較少，試件受壓測的極限應變超過 0.0033[4]。

在2008年到2013年之間，專家們對HRB400和HRB500級別的鋼筋混凝土結構進行了試驗和分析，對它們的變形能力、抗壓能力以及產生的應變做出了細致的分析，得出了實際承載力要略微小于理論計算的承載力。

2009年，開始進行高強箍筋約束混凝土偏心受壓試驗，引入有限元模擬分析，對高強箍筋約束混凝土的受力進行模擬，發現在壓應力增大時，其延性也隨之增加。箍筋應變的增長速度中小偏壓試件明顯大于大偏壓試件，目前現有承載力的規范可能還不是很準確，有待進一步的試驗與分析。

2010年，對HRBF500鋼筋混凝土柱進行行軸壓和偏壓兩種試驗。兩種都進行破壞試驗，發現500MPa的鋼筋能與普通鋼筋呈現同樣的破壞狀態，連裂縫、形變的樣子都與普通鋼筋相似，這證明了500MPa的高強鋼筋可以像普通鋼筋一樣得到充分的利用，高強鋼筋有極強的可用性。

2017年，對高強箍筋混凝土短柱再次進行試驗。對其承壓、抗拉、形變等進行更精確的試驗，研究其滯回曲線、延性等，發現高強箍筋的混凝土短柱在預防形變和能量耗損上控制的更好，遠遠優于普通箍筋。

1.2.2 國外研究現狀

Nagashima[5]選取了一組高強鋼筋約束混凝土柱進行軸心受壓試驗，混凝土的強度最低在60MPa左右，最高在120MPa左右。箍筋的屈服強度最低在780MPa左右，最高在1400MPa左右。共取26個試件，其中20個縱筋的屈服強度在400MPa左右，6個縱筋的屈服強度在800MPa左右，并且有不同的形狀。經過試驗分析得出結論，約束混凝土柱的最大值與使用不同強度的混凝土沒有太大關系，但是與使用縱筋的數量和強度有直接關系，也從中得出了約束混凝土應力和混凝土柱應變的關系曲線。

Razvi[6]等人也選取了26根高強混凝土的方形柱，但不同的是，又同時選取了20根高強混凝土的圓形柱分別進行軸心受壓試驗。通過研究各種參數的影響，試驗最終發現，用高強鋼筋去約束混凝土柱能提高混凝土柱的延性，箍筋的約束能力是至關重要的，提升箍筋的體積配筋率、強度還有數量都是能提高箍筋約束力的良好方法。

在2011年，Jeffrey M.Rautenberg等人重新提出，在混凝土柱中添加高強鋼筋是美國需要的。研究發現混凝柱中的鋼筋的屈服應力有所保守，減少混凝土柱中縱筋的數量，增加屈服應力，并不會影響整個混凝土柱的性能。反而在提高鋼筋屈服應力的同時，減少了鋼筋的使用數量，使得鋼筋的密度減小，極大的提升了整個混凝土柱的性能與質量。

1.3 建筑中綠色施工的要求

推動建筑行業綠色化發展是我國經濟社會綠色低碳轉型以及建設“現代經濟體系”的必然要求[7-8]，“雙碳戰略”即碳達峰與碳中和的簡稱，各個領域都在朝著這個目標前進。在建筑領域，使用高強鋼筋正是走環保路線的重要方式之一，使用高強鋼筋可以減小整個構件的橫截面積，也可以減少整體的鋼筋用量，從而節省原材料，達到環保的目的。使用高強鋼筋也能有效緩解緊張的礦產資源，減少了鋼筋用量之后，澆筑時鋼筋密度變小，大大提高了混凝土的澆筑質量，改善了混凝土的性能，降低了自重，提高了強度，使建筑整體更加安全，能夠滿足大跨度、超高層建筑的要求。也降低了成本，為項目帶來經濟利益。

2 成本分析

比較普通鋼筋混凝土與高強鋼筋混凝土之間的成本前，要確保二者都能滿足相同的受力要求，在滿足相同受力條件下，來分析更加經濟、節能的鋼筋種類。

2.1 兩種鋼筋的受力分析

取普通鋼筋HRB400與高強鋼筋HRB635為例，二者材料性質如表1。

鋼筋材料性質表 表1

混凝土強度設計值如表2。

混凝土強度設計值[9] 表2

現有一矩形截面梁尺寸b×h＝300mm×500mm，其彎矩計算值Md為110kN·m，采用 C30級別混凝土和HRB400鋼筋，Ⅰ類環境條件下，按照單筋截面計算所需縱向鋼筋面積。

根據表查得fcd=13.8Mpa，ftd=1.39Mpa，fy=469Mpa，有效高度h0=500-40=460mm，設受壓區高度為X。

解得x=61.95mm

所需鋼筋截面積：

解得As=546.85mm2

選取11根直徑為8mm的HRB400鋼筋，提供截面為552.64mm2＞As滿足要求

現使用HRB635高強鋼筋來代替HRB400普通鋼筋，fy’=701Mpa

所需鋼筋截面積：

解得As’=365.87mm2

選取8根直徑為8mm的HRB635鋼筋，提供截面為 401.92mm2＞As’滿足要求

由此可見，在滿足同樣矩形截面梁的受力要求時，使用較少根數的高強鋼筋可以達到更多根數的普通鋼筋的作用，而且更加安全可靠。

2.2 兩種鋼筋的成本分析

某工程HRB400普通鋼筋和HRB635高強鋼筋同時使用，根據市場價格HRB400基本在5000元每噸到6000元每噸之間，取中值5500元每噸，而HRB635高強鋼筋市場價格大概在7000元每噸左右，根據對兩種鋼筋的受力分析，確定同等受力條件情況下，高強鋼筋與普通鋼筋的使用數量比為2：3。

圖3 HRB635高強鋼筋的綁扎

則使用HRB635高強鋼筋相對于使用HRB400普通鋼筋的節省率為：

X為HRB400普通鋼筋的單價5500元每噸，Y為HRB635高強鋼筋的單價7000元每噸，Q為使用高強鋼筋相比于普通鋼筋的節省率。

使用高強鋼筋不僅能在鋼筋材料上節省成本，而且還減少了許多關聯的費用，鋼材用量的降低，運輸、管理、人工成本等費用也會隨之降低[10]。在混凝土澆筑方面，減少了鋼筋的密度，大大提高了混凝土的澆筑質量，避免了大部分混凝土在澆筑時產生浪費。

2.3 HRB635高強鋼筋使用的難點

在實際工程中使用HRB635高強鋼筋主要有兩點困難，第一，高強鋼筋在搭接加固時難度更高，施工工藝更加復雜。第二，目前在我國生產高強鋼筋的廠家少，預定HRB635高強鋼筋常常需要排隊等待，沒有充足的高強鋼筋可供使用。

2.4 HRB635高強鋼筋的缺點

雖然HRB635高強鋼筋相較于HPB400普通鋼筋在許多方面都有所優勢，但也存在許多不適用的地方。根據《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）[11]中計算得知，高強鋼筋HRB635植筋錨固深度要遠遠大于普通鋼筋HRB400的錨固深度。高強鋼筋的價格要高于普通鋼筋，所以不適用于架立筋、箍筋等構造配筋或者鋼筋強度要求不高的地方，高強鋼筋不能完全發揮它的作用，造成受力的虧損和材料上的浪費。

3 結論

①高強鋼筋相對于普通鋼筋，大大減少了建筑物的自重，整個建筑更加的安全可靠，更能完美的適應要求更高的建筑，比如高層建筑、大跨度建筑等；

②相較于普通鋼筋而言，在同樣受力條件下，高強鋼筋使用的數量更少，達到了節約原材料，節約成本的目的；

③使用高強鋼筋后，鋼筋混凝土中鋼筋的密度變小，混凝土的澆筑質量大幅度提升，混凝土的性能也就隨之提升；

④由于高強鋼筋稀少，工程中不一定有充足的高強鋼筋可供使用，加上全部使用高強鋼筋也會提升搭接難度，綜合考慮每個部位，合理使用高強鋼筋與普通鋼筋。