論HRB400級鋼筋在建筑工程設計中的應用

徐革，龔國琴，韋勝平

(中冶賽迪工程技術股份有限公司建筑市政設計院 重慶 400013)

1 鋼筋應用現狀調研及分析

通過對鋼筋應用現狀及人們對鋼筋性能認識的了解，可以獲知現階段仍大量使用HRB235級、HRB335級鋼筋，少用甚至不用HRB400級鋼筋的真正原因。本文共搜集120份調研材料，被調查范圍是從事建筑行業的設計、建設、施工等單位的專業人員。

從調研中可以看出制約HRB400級鋼筋應用的主要因素：

（1）裂縫控制。裂縫控制會直接影響到鋼筋混凝土構件鋼筋強度的發揮程度。裂縫控制下若采用HRB400級鋼筋，勢必會導致強度發揮不足而浪費材料。區分是否為裂縫控制及如何有效地避免出現裂縫控制、發揮鋼筋強度是HRB400級鋼筋推廣應用首要解決的問題。

（2）使用性能及產品質量穩定性。HRB400級鋼筋的使用性能及產品質量穩定性直接關系到工程的質量，也是決定其自身能否被大眾接受并采用的先決條件。調研中，超過半數的人認為HRB400級鋼筋的塑性、抗震性能、疲勞性能、機械連接、焊接性能不如HRB335級鋼筋。可見，對HRB400級鋼筋性能的擔憂，是制約其推廣應用的重要因素。

（3）最小配筋率。受彎構件的一側受拉鋼筋最小配筋率及受壓構件的全部縱向鋼筋最小配筋率均與鋼筋級別有關。調研中，相當比例的人認為對最小配筋率在規范[1]、[2]有限制要求的構件，不宜采用HRB400等高強鋼筋。可見，最小配筋率控制是影響人們選擇HRB400級鋼筋推廣應用的另一個重要因素。

（4）對投資影響的認識。一個工程的投資是綜合成本的體現，投資者并不能預先知道工程中使用HRB400級鋼筋會帶來材料量的減少使鋼材總投資減少；但比HRB335級鋼筋單價成本高確是顯而易見的，因此，很容易使投資者產生抵觸應用的意識。當HRB400級鋼筋的價值真正被建設各方所認同，人們就會主動應用而不需要國家花費大量精力去倡導和推廣了。

2 HRB400級鋼筋性能綜合分析

2.1 鋼筋強度發揮與裂縫寬度

對規范[1]的最大裂縫寬度公式進行推導并帶入αcr=2.1；Es=2.0x105N/mm2后得到：

其中，σsk為荷載效應標準組合計算下的鋼筋混凝土構件縱向受拉鋼筋的應力。其它參數含義見規范[1]。可見，影響σsk的參數包括：ωmax、c、deq、ρte、ftk。 在c、deq、ρte、ftk一定的情況下，σsk隨ωmax的增大而增大，當ωmax增大到ωlim時，σsk即為裂縫寬度控制下縱向受拉鋼筋的最大應力。

根據ωlim、c對建筑工程中常用的受彎構件進行分類。（1）ωlim=0.2、c=20：二（a）類環境下的板、墻類構件，如：基礎底板、地下室底板、鋼筋混凝土擋土墻等；（2）ωlim=0.2、c=30：二（a）類環境下的基礎梁；（3）ωlim=0.3、c=20：一類環境下的板類構件，如：樓板；（4）ωlim=0.3、c=25：一類環境的梁。 受彎構件普遍采用C30混凝土，本文取C30， ftk=2.01N/mm2。 選定ωlim、c及ftk值后，則可找到σsk與ρte、deq的關系。 鋼筋最大應力計算中，ρte為強度控制下、按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率，這里取ρte為0～5.0%。 對于矩形截面ρte=2ρ，ρ為縱向受拉鋼筋配筋率。

圖1～圖4中，X軸為ρte，Y軸為σsk， 右側為鋼筋直徑12～25mm，曲線表示荷載效應標準組合計算下，該構件有效截面配筋率ρte在0～5.0%范圍內的縱向受拉鋼筋最大拉應力。文獻[8]指出用于裂縫寬度驗算的標準組合與用于承載力計算的基本組合之比CP=0.79時，能滿足規范對可靠指標的要求。故本文分析時，取CP=0.79，即1/CP=1.266。用于承載力計算下的鋼筋抗拉強度設計值為σs，則裂縫寬度計算下的鋼筋最大應力為σsk=σs/1.266。當裂縫控制時，若裂縫控制下的鋼筋最大應力小于σsk，則其承載力控制下的鋼筋最大應力小于σs，即鋼筋強度達不到充分發揮。用于承載力計算的HRB335級、HRB400級鋼筋的抗拉強度設計值分別為300N/mm2、360N/mm2，則裂縫寬度驗算的構件縱向受拉鋼筋最大拉應力分別為300/1.266=237N/mm2、360/1.266=284N/mm2。

下面分別對這四類構件進行分析。

圖1 二（a）類環境下的板、擋土墻類構件

由圖1： deq=12～16mm時，ρte分別不小于2.9%、3.6%、4.4%時，HRB400級鋼筋的強度才能充分發揮；deq=18～25mm時，不論ρte取值多少，均無法充分發揮HRB400級鋼筋的強度。二（a）類環境下的板、擋土墻，其常用直徑為12～20mm，板的經濟配筋率[9]ρ為0.4%～0.8%，即ρte為0.8%～1.6%，故不宜使用HRB400級或更高強度的鋼筋，因為無法充分發揮其高強度而造成浪費。

圖2 ：二（a）類環境下的基礎梁

由 圖 2：deq=12、14mm，ρte分 別 不 小 于 3.3% 、4.4% ，HRB335級鋼筋的強度才能充分發揮；曲線的最大值小于284N/mm2。二（a）類環境下的基礎梁，不宜使用HRB400級或更高強度的鋼筋。

圖3 ：一類環境下的板類構件

由圖3：deq=8～14mm時，不論ρte取值多少，均能使HRB400級鋼筋的強度充分發揮；deq=16～25mm時，ρte分別不小于1.3%、1.7%、2.1%、2.4%、2.9%時，HRB400級鋼筋的強度才能充分發揮。一類環境下的板，其常用直徑為8～14mm，故在此直徑范圍內的樓板，不論其配筋率ρ多少，均可以采用HRB400級鋼筋作為其主要受力鋼筋，而無需擔心裂縫寬度限制影響到HRB400級鋼筋強度的發揮。

圖4 ：一類環境的梁

由圖4：deq=12mm時，不論ρte取值多少，均能使HRB400級鋼筋的強度得到充分發揮；deq=14～25mm時，ρte分別不小于1.1%、1.8%、2.2%、2.6%、3.0%和3.6%時，HRB400級鋼筋的強度才能充分發揮。 一類環境下的梁，其經濟配筋率[9]ρ為0.6%～1.5%，即ρte在1.2%～3.0%，常用直徑14～25mm，ρte應分別不小于上值時，HRB400級鋼筋的強度才能充分發揮。故梁縱向鋼筋采用HRB400級鋼筋時，應注意裂縫寬度的驗算。

小結：裂縫控制是否會限制HRB400級鋼筋強度的發揮應區別對待。一類環境下的樓板，常用直徑下鋼筋強度可以得到充分發揮而無需考慮裂縫控制；一類環境下的梁，應注意鋼筋直徑的選擇和裂縫寬度的驗算；二（a）類環境下的底板、擋墻、基礎等構件，不宜采用HRB400級鋼筋。

2.2 HRB400級鋼筋的使用性能

在闡述HRB400級鋼筋的使用性能之前，需要先了解HRB400級鋼筋的化學成分和生產工藝。Ⅲ級鋼筋的發展經歷了兩個重要的階段，分別以Mn-Si系鋼的25MnSi（老Ⅲ級）和以微合金化工藝生產的HRB400級 （新Ⅲ級）鋼筋為代表。25MnSi鋼筋與HRB335級鋼筋一樣，是屬以碳為主導強化機制生產而成，通過提高碳的含量從而提高鋼的強度，但鋼的塑、韌性損失也很明顯，特別是焊接性能等鋼材綜合使用性能惡化。HRB400級鋼筋是在不提高碳含量的條件下，通過微合金技術向鋼中添加微量合金元素釩（V）、鈮（Nb）或鈦（Ti）等，從而獲得高強度和高塑、韌性的鋼材。

文獻[5]列出了鋼中添加釩、鈦等對建筑鋼材性能的影響。HRB400級鋼筋多是添加了微量元素釩，故與HRB335級鋼筋相比，延伸率降低、塑性降低；抗震性能受塑性、疲勞性能影響較大，HRB400級鋼筋的塑性有所降低，但疲勞性能得到大幅提高，抗震性能是否提高很難衡量。文獻[6]論證了HRB400級鋼筋作為框架柱的受力鋼筋，可明顯改善框架結構的抗震性能。釩對可焊性影響不大，故HRB400與HRB335級鋼筋的可焊性能相差不大，而調研中普遍認為HRB400級鋼筋的可焊性能不如HRB335級鋼筋，且認為是HRB400級鋼筋的碳含量的增加所致，故這種認知還是停留在老Ⅲ級鋼筋的基礎上，不再適用于HRB400級鋼筋。文獻[7]通過試驗論證了HRB400級鋼筋的抗震性能、疲勞性能、焊接性能、粘結性能均能達到相關標準的規定。更何況，《建筑抗震設計規范》[3]指出普通鋼筋宜優先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋，并將HRB400級鋼筋放在縱向受力鋼筋的首選位置。可見，HRB400級鋼筋的各方面性能是良好的。

2.2.1 受彎構件采用HRB400與HRB235、HRB335級鋼筋的最小配筋率比較

表1 受彎構件一側受拉鋼筋的最小配筋百分率

受彎構件一側受拉鋼筋的最小配筋率見表1。混凝土等級為C30時，板受力鋼筋采用HRB400級鋼筋與HRB235級鋼筋相比，最小配筋率之比為0.200%∶0.306%，節省板受力鋼筋用量34.6%；梁受力鋼筋采用HRB400級鋼筋與HRB335級鋼筋相比，最小配筋率比為0.200%∶0.215%，節省梁受力鋼筋用量7.0%。且節省比例隨混凝土等級的提高而增大。

2.2.2 框架柱采用HRB400級鋼筋與HRB335級鋼筋的最小配筋率比較

規范[1]在注釋中明確指出：柱全部縱向受力鋼筋最小配筋百分率，當采用HRB400級鋼筋時，應按表中數值減小0.1，且普遍使用的SATWE程序(2005版)在計算配筋時，若框架柱采用HRB400級鋼筋作為縱向受力鋼筋，配筋輸出確實是按照規范注釋中減小0.1的要求控制。柱采用HRB400與HRB335級鋼筋的全截面最小配筋率比較見表2。當抗震等級為二級，相比HRB335級鋼筋而言，采用HRB400級鋼筋時，框架中柱、邊柱的全截面最小配筋率減少了12.5%，框架角柱的全截面最小配筋率減少了10.0%，且減少的程度隨著抗震等級的降低而增大。

表2 柱采用HRB400級或HRB335級鋼筋的全截面最小配筋率比較

2.3 使用HRB400級鋼筋的經濟效益分析

根據設計經驗和筆者調查認為，樓板及框架柱縱向受力鋼筋在建筑工程中占有相當的比重，一般在50%以上，合理地選擇樓板和框架柱的縱向受力鋼筋等級可很大程度上節約鋼筋成本。下面分別以樓板和框架柱為例，說明采用HRB400級鋼筋與采用HRB235級、HRB335級鋼筋的區別。

2.3.1 樓板采用HRB400級鋼筋與HRB235級鋼筋的比較

對鋼筋強度發揮與裂縫寬度控制的分析可見，一類環境下樓板鋼筋在常用直徑8～14mm下采用HRB400級鋼筋，均為承載力或最小配筋率控制，不存在裂縫控制問題。計算配筋方面：HRB230級、HRB400級鋼筋的抗拉強度比為1︰1.714，即承載力控制下樓板采用HRB400級鋼筋，相比HRB235級鋼筋，最大節省比例為41.7%。構造方面：最小配筋率控制下的最小節省比例為34.6%（取C30混凝土計算）。綜合而言，鋼筋用量節省范圍為34.6%～41.7%，鋼筋成本節省范圍為30.7%～38.2%（以HRB400級鋼筋高出HRB235級鋼筋6%的價格計算[4]）。節省的鋼筋量約占樓板受力鋼筋總量的三分之一。可見，樓板鋼筋采用HRB400級鋼筋相比采用HRB235級鋼筋有無可比擬的優勢。

2.3.2 框架柱采用HRB335級鋼筋與HRB400級鋼筋的比較

計算配筋方面：HRB335級和HRB400級鋼筋的抗拉強度設計值分別是300N/mm2和360 N/mm2，強度比為1︰1.2。即承載力控制下，使用HRB400級鋼筋可節約16.7%左右的鋼筋量。構造方面：全截面最小配筋率控制下，HRB400級鋼筋相比HRB335級鋼筋可節省8.3%～16.7%。綜合而言，HRB400級鋼筋比HRB335級鋼筋工程量可節省8.3%～16.7%，鋼筋成本節省范圍為2.8%～11.7%（按HRB400級鋼筋高出HRB335級鋼筋6%的價格計算[4]）。同時還可以改善梁柱節點因鋼筋過密帶來的諸多設計、施工方面的問題。可見，框架柱采用HRB400比HRB335級鋼筋有明顯的優勢。

3 工程實例與分析

某工程為五層現澆混凝土框架結構。表3顯示：柱采用HRB400級鋼筋比采用HRB335級鋼筋的用鋼量節省13.8%，符合了框架柱采用HRB400級鋼筋比HRB335級鋼筋可節省8.3%～16.7%用鋼量的結論。本工程鋼筋成本節約8.6%（按HRB400級鋼筋高出HRB335級鋼筋6%的價格計算）。

表3 柱采用HRB335級或HRB400級鋼筋的用鋼量比較

4 結論與建議

4.1 結論

合理地選擇HRB400級鋼筋不僅能帶來直接、顯著的經濟效益，更是我國實現可持續發展、與國際節能減排政策接軌的重要舉措。根據上面的理論分析和工程實例，可歸納如下：

（1）受力重要的部位，如跨度大、荷載重的構件由受力控制配筋時，工程設計時盡量采用HRB400級以上高強鋼筋。

（2）工程設計時，對于一類環境下的樓板、框架柱，盡量采用HRB400級鋼筋，可獲得顯著的經濟效益；一類環境下的梁，采用HRB400級鋼筋時應注意裂縫寬度的驗算；二（a）類環境下的基礎、擋土墻等，不宜采用HRB400級鋼筋。

4.2 建議

（1）我國設計規范[1]相比歐美規范對構件裂縫的控制偏嚴[10]，適度的裂縫控制既能滿足建筑的使用要求，也能節約投資和降低施工難度、保證節點核心區的混凝土澆筑質量和助推HRB400等高強鋼筋的應用。建議參考國際規范對我國規范裂縫控制進行調整，適當放寬對裂縫的控制。

（2）產品質量穩定性應嚴格控制，并確保市場供應、規格齊全、購買方便。目前，仍有很多地區小直徑HRB400級鋼筋的市場供應不足，影響工程進度而更改設計。

（3）冷軋帶肋、冷軋扭等經過冷加工的鋼筋，其塑、韌性較差，不利于抗震性能設計。在樓板開洞較大位置附近區域、抗震薄弱部位和延性設計要求較高的構件、節點，建議用HRB400級鋼筋取代冷加工鋼筋作為受力鋼筋。

[1]GB50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[2]JGJ3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]GB50011-2002，建筑抗震設計規范[S].

[4]伍晏，周以大.高層住宅采用高強鋼筋為主配筋方案的效益優化分析[J]，建筑施工，30(4)，277-279.

[5]中國鋼結構協會.建筑鋼材手冊[S].北京:人民交通出版社，2005.2.

[6]葉列平，Asad U Q，馬千里，陸新征.高強鋼筋對框架結構抗震破壞機制和性能控制的研究[J].工程抗震與加固改進，2006，28，(1):18-30.

[7]付海彬，魯獻輝，馬娥.HRB400帶肋鋼筋綜合性能分析[J].河北冶金，1996，(6):44-47.

[8]林宗凡.鋼筋混凝土構件不需作裂縫寬度驗算的最大鋼筋直徑[J].工業建筑，1996，26 ，(11):42-47.

[9]韓秀彬，楊惠予.鋼筋混凝土梁、板正截面優化設計[J].河北建筑工程學院學報，2007，25(2):5-6.

[10]李春秋，陳肇元.荷載作用下混凝土構件裂縫控制的若干問題[J].建筑結構，2007，37，(1):114-119.