配置高强钢筋混凝土的经济效益分析
时间：2023-06-21 13:55:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
韩孟君 ，郝松硕，张文康，王小庆，赵东东，颜怀宇
（1.安徽建工集团股份有限公司，安徽 合肥 230031；
2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）
中国地域辽阔，人口数量众多，所以我国的建筑数量也是非常庞大的[1]。现如今，传统的建筑比重正在逐渐减少，一些新兴的建筑类型也慢慢兴起，建筑逐渐向着超高层和大跨度的方向发展，对于钢筋混凝土的强度和安全性提出了更高的要求。随着环保意识的逐渐加强，相较于普通钢筋，使用高强钢筋对节能减排、节省材料也有着重大的意义，所以开发利用高强度钢筋成为了重要的研究方向。
1.1 建筑中钢筋混凝土的发展现状
图1 北京大兴国际机场
图2 港珠澳大桥
目前，我国的建筑业正处在一个蓬勃发展的时代，对于钢筋混凝土的消耗也是非常巨大的。在现代建筑中，钢筋混凝土已然成为了主流的建筑材料，我国目前以HRB400等普通钢筋为主，对高强钢筋HRB635钢筋的使用比例还比较小。HRB635高强钢筋有着强度高、延展性好、塑性好，易焊接等优点[2-3]，而且高强钢筋在受力性能上也明显优于普通钢筋。
1.2 高强钢筋的国内外发展现状
1.2.1 国内研究现状
2007年，500MPa级钢筋混凝土做过偏心受压试验，从破坏形态和承载力等方面分析，并得出结论，500MPa的钢筋可以和混凝土同时使用，但是钢筋的发挥比较少，试件受压测的极限应变超过 0.0033[4]。
在2008年到2013年之间，专家们对HRB400和HRB500级别的钢筋混凝土结构进行了试验和分析，对它们的变形能力、抗压能力以及产生的应变做出了细致的分析，得出了实际承载力要略微小于理论计算的承载力。
2009年，开始进行高强箍筋约束混凝土偏心受压试验，引入有限元模拟分析，对高强箍筋约束混凝土的受力进行模拟，发现在压应力增大时，其延性也随之增加。箍筋应变的增长速度中小偏压试件明显大于大偏压试件，目前现有承载力的规范可能还不是很准确，有待进一步的试验与分析。
2010年，对HRBF500钢筋混凝土柱进行行轴压和偏压两种试验。两种都进行破坏试验，发现500MPa的钢筋能与普通钢筋呈现同样的破坏状态，连裂缝、形变的样子都与普通钢筋相似，这证明了500MPa的高强钢筋可以像普通钢筋一样得到充分的利用，高强钢筋有极强的可用性。
2017年，对高强箍筋混凝土短柱再次进行试验。对其承压、抗拉、形变等进行更精确的试验，研究其滞回曲线、延性等，发现高强箍筋的混凝土短柱在预防形变和能量耗损上控制的更好，远远优于普通箍筋。
1.2.2 国外研究现状
Nagashima[5]选取了一组高强钢筋约束混凝土柱进行轴心受压试验，混凝土的强度最低在60MPa左右，最高在120MPa左右。箍筋的屈服强度最低在780MPa左右，最高在1400MPa左右。共取26个试件，其中20个纵筋的屈服强度在400MPa左右，6个纵筋的屈服强度在800MPa左右，并且有不同的形状。经过试验分析得出结论，约束混凝土柱的最大值与使用不同强度的混凝土没有太大关系，但是与使用纵筋的数量和强度有直接关系，也从中得出了约束混凝土应力和混凝土柱应变的关系曲线。
Razvi[6]等人也选取了26根高强混凝土的方形柱，但不同的是，又同时选取了20根高强混凝土的圆形柱分别进行轴心受压试验。通过研究各种参数的影响，试验最终发现，用高强钢筋去约束混凝土柱能提高混凝土柱的延性，箍筋的约束能力是至关重要的，提升箍筋的体积配筋率、强度还有数量都是能提高箍筋约束力的良好方法。
在2011年，Jeffrey M.Rautenberg等人重新提出，在混凝土柱中添加高强钢筋是美国需要的。研究发现混凝柱中的钢筋的屈服应力有所保守，减少混凝土柱中纵筋的数量，增加屈服应力，并不会影响整个混凝土柱的性能。反而在提高钢筋屈服应力的同时，减少了钢筋的使用数量，使得钢筋的密度减小，极大的提升了整个混凝土柱的性能与质量。
1.3 建筑中绿色施工的要求
推动建筑行业绿色化发展是我国经济社会绿色低碳转型以及建设“现代经济体系”的必然要求[7-8]，“双碳战略”即碳达峰与碳中和的简称，各个领域都在朝着这个目标前进。在建筑领域，使用高强钢筋正是走环保路线的重要方式之一，使用高强钢筋可以减小整个构件的横截面积，也可以减少整体的钢筋用量，从而节省原材料，达到环保的目的。使用高强钢筋也能有效缓解紧张的矿产资源，减少了钢筋用量之后，浇筑时钢筋密度变小，大大提高了混凝土的浇筑质量，改善了混凝土的性能，降低了自重，提高了强度，使建筑整体更加安全，能够满足大跨度、超高层建筑的要求。也降低了成本，为项目带来经济利益。
比较普通钢筋混凝土与高强钢筋混凝土之间的成本前，要确保二者都能满足相同的受力要求，在满足相同受力条件下，来分析更加经济、节能的钢筋种类。
2.1 两种钢筋的受力分析
取普通钢筋HRB400与高强钢筋HRB635为例，二者材料性质如表1。
钢筋材料性质表 表1
混凝土强度设计值如表2。
混凝土强度设计值[9] 表2
现有一矩形截面梁尺寸b×h＝300mm×500mm，其弯矩计算值Md为110kN·m，采用 C30级别混凝土和HRB400钢筋，Ⅰ类环境条件下，按照单筋截面计算所需纵向钢筋面积。
根据表查得fcd=13.8Mpa，ftd=1.39Mpa，fy=469Mpa，有效高度h0=500-40=460mm，设受压区高度为X。
解得x=61.95mm
所需钢筋截面积：
解得As=546.85mm2
选取11根直径为8mm的HRB400钢筋，提供截面为552.64mm2＞As满足要求
现使用HRB635高强钢筋来代替HRB400普通钢筋，fy’=701Mpa
所需钢筋截面积：
解得As’=365.87mm2
选取8根直径为8mm的HRB635钢筋，提供截面为 401.92mm2＞As’满足要求
由此可见，在满足同样矩形截面梁的受力要求时，使用较少根数的高强钢筋可以达到更多根数的普通钢筋的作用，而且更加安全可靠。
2.2 两种钢筋的成本分析
某工程HRB400普通钢筋和HRB635高强钢筋同时使用，根据市场价格HRB400基本在5000元每吨到6000元每吨之间，取中值5500元每吨，而HRB635高强钢筋市场价格大概在7000元每吨左右，根据对两种钢筋的受力分析，确定同等受力条件情况下，高强钢筋与普通钢筋的使用数量比为2：3。
图3 HRB635高强钢筋的绑扎
则使用HRB635高强钢筋相对于使用HRB400普通钢筋的节省率为：
X为HRB400普通钢筋的单价5500元每吨，Y为HRB635高强钢筋的单价7000元每吨，Q为使用高强钢筋相比于普通钢筋的节省率。
使用高强钢筋不仅能在钢筋材料上节省成本，而且还减少了许多关联的费用，钢材用量的降低，运输、管理、人工成本等费用也会随之降低[10]。在混凝土浇筑方面，减少了钢筋的密度，大大提高了混凝土的浇筑质量，避免了大部分混凝土在浇筑时产生浪费。
2.3 HRB635高强钢筋使用的难点
在实际工程中使用HRB635高强钢筋主要有两点困难，第一，高强钢筋在搭接加固时难度更高，施工工艺更加复杂。第二，目前在我国生产高强钢筋的厂家少，预定HRB635高强钢筋常常需要排队等待，没有充足的高强钢筋可供使用。
2.4 HRB635高强钢筋的缺点
虽然HRB635高强钢筋相较于HPB400普通钢筋在许多方面都有所优势，但也存在许多不适用的地方。根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）[11]中计算得知，高强钢筋HRB635植筋锚固深度要远远大于普通钢筋HRB400的锚固深度。高强钢筋的价格要高于普通钢筋，所以不适用于架立筋、箍筋等构造配筋或者钢筋强度要求不高的地方，高强钢筋不能完全发挥它的作用，造成受力的亏损和材料上的浪费。
①高强钢筋相对于普通钢筋，大大减少了建筑物的自重，整个建筑更加的安全可靠，更能完美的适应要求更高的建筑，比如高层建筑、大跨度建筑等；
②相较于普通钢筋而言，在同样受力条件下，高强钢筋使用的数量更少，达到了节约原材料，节约成本的目的；
③使用高强钢筋后，钢筋混凝土中钢筋的密度变小，混凝土的浇筑质量大幅度提升，混凝土的性能也就随之提升；
④由于高强钢筋稀少，工程中不一定有充足的高强钢筋可供使用，加上全部使用高强钢筋也会提升搭接难度，综合考虑每个部位，合理使用高强钢筋与普通钢筋。
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