1、热处理带肋高强钢筋在混凝土结构中的应用优势一、 理论基础根据，要达到相同抗力，提升钢筋设计强度将有效降低用钢量。针对工程中常用的三级钢（设计强度360MPa），如采用热处理高强钢筋（设计强度500MPa），理论上最大可降低用钢量1-360/500=28%。如取三级钢筋5000元/吨，热处理高强钢筋5800元/吨进行计算，钢筋价格提升了（5800-5000）/5000=16%，理论上结构最大可节省用钢造价（5000-360/500*5800）/5000=16.48%。表1 普通钢筋强度设计值（N/mm2）钢筋牌号抗拉强度设计值fy抗压强度设计值fyHPB300270270HRB335、HRBF3
2、35300300HRB400、HRBF400、RRB400360360HRB500、HRBF500435410表2 热处理高强钢筋的强度设计值（N/mm2）钢筋牌号抗拉强度设计值fy抗压强度设计值fyHTRB600500410HTRB600EHTRB630525410二、 裂缝控制优势通过比较混凝土结构设计规范3.4.5与热处理带肋高强钢筋混凝土结构技术规程3.0.4，当采用热处理高强钢筋时，结构裂缝控制存在以下优势：表3 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值（mm）（混凝土结构设计规范）环境类别钢筋混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级lim裂缝控制等级lim一三级0.30（0.40）
3、三级0.20二a0.200.10二b二级三a、三b一级表4 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值（mm）（热处理带肋高强钢筋混凝土结构技术规程）环境类别钢筋混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制等级lim裂缝控制等级lim一三级0.30（0.40）三级0.20二a0.20（0.30）0.10二b二级三a、三b一级a. 采用高强钢筋时，对于一类环境下的受弯构件，如果使用功能许可，其最大裂缝宽度限值可以采用括号内的数值0.40，取消了混凝土结构设计规范中年平均相对湿度小于60%的要求（据统计南京及其周边地区全年平均相对湿度均大于60%）。b. 采用高强钢筋时，对于二a类环境下的地下室底板，当不接
4、触腐蚀性介质时，由于底板钢筋应力偏低，而且迎水面混凝土保护层厚度较大，其最大裂缝宽度限值有所放大，即可以采用括号内数值0.30。三、 板最小配筋率a. 综合混凝土结构设计规范8.5.1和热处理带肋高强钢筋混凝土结构技术规程6.2.1，对于板类受弯构件（不包括悬臂板）的受拉钢筋，当采用强度等级400MPa、500MPa、600MPa和630MPa的钢筋时，其最小配筋百分率应允许采用0.15和45ft/fy的较大值，低于普通钢筋混凝土板类受弯构件中最小配筋百分率采用0.20和45ft/fy的较大值的要求。b. 热处理带肋高强钢筋混凝土结构技术规程6.2.2规定，直径6mm的热处理带肋高强钢筋可用于
5、钢筋混凝土板的板面和板底配筋，低于混凝土结构设计规范9.1.6中钢筋直径不宜小于8mm的要求。住宅工程质量通病控制标准DGJ 32/J 16中对板筋的构造要求是钢筋直径不小于8mm处可用直径6mm的热处理带肋高强钢筋替换，间距要求不变，同时应满足最小配筋率的要求。算例2：针对四种次梁布置类型，分别采用三级钢筋和热处理带肋高强钢筋作为梁、板的受力筋配筋，构造钢筋全部采用三级钢筋，比较两种配筋方式在各个布置类型下的经济指标。 a.布置类型1 b.布置类型2 c.布置类型3 d.布置类型4图1 四种次梁布置形式一）计算条件：1. 四种布置类型与主次梁尺寸如图，所有主梁跨度均为9m。计算模型下开间与左
6、进深均为3*9m，取中心网格进行计算比较。2. 楼面恒载考虑做法及吊顶取1.5 kN/m2，楼板自重由软件计算，活载从210 kN/m2变化,增幅为2 kN/m2。3. 楼板的板厚取120mm，梁、柱、板的混凝土强度等级C30，梁、板受力主钢筋分别采用HRB400和HTRB600，所有箍筋和构造配筋均采用HRB400。4. 建立的单层单跨框架，层高3500mm，柱截面为600600mm。5. 在PKPM计算中不考虑风荷载及地震作用，框架抗震等级为三级。6. 板配筋计算中采用弹性算法。三级钢筋板最小配筋率取0.2%，高强钢筋板最小配筋率取0.15%。二）钢筋配筋及算量条件：1. 框架梁端加密区长
7、度、间距、最小直径按照混规11.3.6条第3款，11.3.7条规定沿梁全长的顶面和底面至少应配置两根通长的纵向钢筋，三级框架不少于212。2. 抗规6.3.4条第3款规定，根据箍筋加密区肢距的要求，梁宽b=350mm时用四肢箍，混规9.2.13条中，梁的腹板高度hw450mm，需配置腰筋，对称布置。3. 计算钢筋用量:a、钢筋的搭接和锚固长度按照规范的要求，箍筋计算时，考虑保护层厚度。b、梁端上部钢筋第一排按1/3净跨长截段，第二排按1/4净跨长阶段，中间用通长筋或架立筋。c、箍筋分加密区和非加密区,且梁端加密区长度按混规表11.3.6-2取用。4. 统计各种次梁布置类型的用钢量时，分框架主梁
8、用钢量、次梁受力主筋量、次梁总钢量、楼板用钢量、总用钢量，以及混凝土用量等经济指标，并且每一种情况又把混凝土的价格加进去，再进行对比分析，在统计价格时考虑到实际工程中模板的损耗以及钢筋的损耗，混凝土按1000元/m，三级钢筋按5000元/T，热处理 高强钢筋按5800元/T。5. 在对比分析中，如发现计算中梁出现超筋，则对该荷载下的布置形式不进行比较。三）统计结果分析a. 布置形式1b. 布置形式2c. 布置形式3d. 布置形式4图2 四种布置形式下两种钢筋作为受力筋时每平方米用钢量由图2可知，在各种布置形式下，采用热处理高强钢筋作为梁、板配筋时均可以有效降低结构的用钢量。但是各类布置形式下用
9、钢量的节省幅度有所不同，下面就框架主次梁和板配筋的用钢量节省情况分别讨论。图3 四种布置形式下采用高强钢筋时框架主次梁节省用钢量百分比图3所示采用高强钢筋时框架主次梁节省用钢量情况，可见随着荷载水平的增大，框架主次梁节省用钢量的效果越显著，当在较高的活载水平（高于6kN/m2）下，可以明显看出次梁布置形式对节省效果的影响：当次梁布置数量少，单根框架主次梁配筋量大时，采用高强钢筋将带来更为明显的经济效益。在本计算中表现为在四种布置形式中，布置形式1由于受力钢筋所占比例高，其节省效果在活载6kN/m2以上最好，布置形式4的节省程度相对最小。图4 四种布置形式下采用高强钢筋时板配筋节省用钢量百分比当
10、采用热处理高强钢筋作为板受力筋时，由于允许采用6mm钢筋，且其最小配筋百分率允许采用0.15和45ft/fy的较大值，节省用钢量效果明显，即使是在低荷载水平（2kN/m2）下，节省百分比也可达到23%以上（见图4）。需要注意的是，布置形式1在活载2kN/m2时节省用钢量百分比低于其他布置形式，且在荷载增长过程中节省用钢量百分比存在较大波动，原因是：1.在活载2kN/m2水平下，计算高强钢筋板配筋时，获得支座负筋计算值196mm2和290mm2，在实际配筋时只能采用6125和8150，即实际配筋值为226mm2和334mm2，大大超过计算值；而在活载水平为4kN/时，板下部X向三级钢筋配筋计算值
11、为362mm2，最节省的配筋选用10200，即实际配筋值为392 mm2，超出计算值较大。此外布置1在6 kN/m2和8kN/m2活载下的数值，布置2在4 kN/m2和6kN/m2活载下的数值也都受到实际配筋和计算配筋偏差的影响。在不人为限定板配筋间距（即可以采用任何数值作为板配筋间距）的情况下，使实际配筋数值尽量接近计算配筋值，得到修正后四种布置形式下采用高强钢筋时板配筋节省用钢量的百分比，如图5所示。图5 修正后四种布置形式下采用高强钢筋时板配筋节省用钢量百分比 由图5可知，在不人为限制板配筋间距的条件下，各种布置形式下采用热处理高强钢筋作为板受力筋时，相对于原板配筋最低均可节省26.5%
12、以上的用钢量，在2 kN/m2活载下布置2、3、4均处于构造配筋阶段，布置1部分进入受力配筋阶段。随着活载水平的增大，布置2、布置3和布置4相继进入受力配筋阶段，节省用钢量的百分比进一步上升。图6 四种布置形式下采用高强钢筋时每平米节省用钢量百分比图6描述了针对四种布置形式采用高强钢筋配筋，楼板整体每平方米用钢量节省的百分比随活载水平增大的变化情况。可知随着活载水平的增大，每平方米节省用钢量的百分比并非一定会显著增长，如布置3在24kN/m2的活载变化中出现了平台段，布置4在46kN/m2的活载变化中也出现了平台段，这是由于在相应段的荷载变化中，框架主次梁节省用钢量百分比变化较小，同时板配筋节
13、省用钢量的程度也没有发生变化。但是整体趋势上采用高强钢筋节省用钢量的程度仍随着荷载水平的增大而增大。图7 四种布置形式下采用高强钢筋时每平米节省用钢价格百分比如图7所示，在各个布置形式下，采用热处理高强钢筋替代三级钢筋作为受力筋，均有较好的经济效益。显然，采用高强钢筋配筋带来的经济效益十分可观，即使在2kN/m2的低活载水平下，各个布置形式的节省百分比也超过10%，且随着荷载水平的增长，节省的效果也越发突出。需要说明的是：图3、图4、图6中出现高于28%的点，图7中也出现超过16.48%的节省用钢价格理论最高值的点，这是由于计算中梁配筋未进行钢筋混搭，实际配筋量高于计算值，且由于采用三级钢时单
14、根筋的直径更大，浪费偏多，因此节省的百分比较理论值会更高。这也说明考虑人为配筋放大的影响时，采用高强钢筋作为梁板受力筋的经济效益更为突出。下面计入混凝土费用，计算结构总价。在计算中考虑模板费用，混凝土价格按照1000元/吨计。四种布置形式所用混凝土费用差异较大，其中布置4形式混凝土费用最高，见图8。图8 四种布置形式混凝土所用总价计入混凝土费用后，三级钢配筋情况下，四种布置形式的结构总造价随活载变化情况见图9；高强钢筋作为受力筋配筋情况下，四种布置形式的结构总造价随活载变化情况见图10。图9 结构总造价（三级钢筋受力配筋）图10 结构总造价（高强钢筋受力配筋）图11 使用高强钢筋后结构总价降低
15、百分比由图9、10可知，受布置形式4混凝土费用高的影响，在各个荷载水平下，布置4的结构总造价均最高；无论采用三级钢筋还是高强钢筋作为受力筋，四种布置形式下的总造价由高到低的顺序均为：布置4、布置2、布置1、布置3。图11显示使用高强钢筋作为受力筋时，节省总造价的效果明显，即使在较低活载水平下（2kN/m2），节省百分比也达到2.5%以上，而在较高荷载水平（8 kN/m210 kN/m2）下，节省百分比可达9%以上。此外，计算中还分别统计了三级钢筋、高强钢筋作为受力筋，在框架主次梁中占总用钢量的百分比（见图12、13），以及三级钢筋配筋时，钢筋总价占结构总造价的百分比（见图14）。图12 主次梁
16、受力筋占框架总用钢量百分比（三级钢筋）图13主次梁受力筋占框架总用钢量百分比（高强钢筋）从图12、13可知，在各个布置形式下，采用三级钢筋时，梁受力筋占梁总用钢量的百分比最低为65%，且随着活载水平的增大而升高，最终稳定在75%80%；采用高强钢筋时，梁受力筋占梁总用钢量的百分比最低为57%，亦随着活载水平的增大而升高，最终稳定在70%左右。图14 三级钢筋总价占结构总造价百分比图14显示在全部采用三级钢筋作为结构受力筋和构造筋时，钢筋总价占结构总造价的百分比随活载的增加在25%45%范围内呈线性增长。即使在10kN/m2的较大活载水平下，该比例也不足50%，即结构的大部分造价利用在混凝土方面
17、。因此在考虑使用热处理高强带肋钢筋代替三级钢筋作为受力筋，以减少结构总造价的同时，也需要结构工程师解放思想，在保证结构安全性的基础上，控制梁截面，做出轻巧的结构，节省工程总造价。算例3：地下室顶板采用高强钢筋的经济性针对常见的人防地下室顶板形式，分别采用三级钢筋和热处理带肋高强钢筋作为梁、板的受力筋配筋，构造钢筋全部采用三级钢筋，比较两种强度配筋在不同覆土厚度下的经济指标。图15地下室顶板布置形式一）计算条件：1. 地下室顶板布置形式如图，计算采用PKPM结构分析软件。计算模型下开间与左进深均为3*9m，取中心网格进行计算比较。2. 顶板恒载考虑覆土厚度分别取10.8kN/m2、14.4kN/
18、m2、18kN/m2，分别对应600mm、800mm、1000mm覆土厚度；顶板自重由软件计算，活载统一取5 kN/m2，人防荷载统一取50 kN/m2。3. 楼板的板厚取350mm，梁、柱、板的混凝土强度等级C30，梁、板受力主钢筋分别采用HRB400和HTRB600，所有箍筋和构造配筋均采用HRB400。4. 建立单层单跨框架，层高4500mm，柱截面900900mm。5. 在PKPM计算中不考虑风荷载及地震作用，框架抗震等级为三级。6. 板配筋计算中采用弹性算法。三级钢筋板最小配筋率取0.2%，高强钢筋板最小配筋率取0.15%；顶板采用双层双向配筋，上层配筋满足最小配筋率构造条件。二）钢
19、筋配筋及算量条件：1. 框架梁端加密区长度、间距、最小直径按照混规11.3.6条第3款，11.3.7条规定沿梁全长的顶面和底面至少应配置两根通长的纵向钢筋，三级框架不少于212。2. 抗规6.3.4条第3款规定，根据箍筋加密区肢距的要求，梁宽b=400mm，需用四肢箍，混规9.2.13条中，梁的腹板高度hw450mm，需配置腰筋，对称布置。3. 计算钢筋用量:a、钢筋的搭接和锚固长度按照规范的要求，箍筋计算时，考虑保护层厚度。b、梁端上部钢筋第一排按1/3净跨长截段，第二排按1/4净跨长阶段。c、箍筋分加密区和非加密区,且梁端加密区长度按混规表11.3.6-2取用。4. 对比分析时，混凝土价格
20、（带模版）取1000元/m，三级钢筋取5000元/T，热处理高强钢筋取5800元/T。5. 配筋时，考虑钢筋混杂，使实际配筋尽可能接近计算值。三）统计结果分析 图16 梁受力筋用钢量比较 图17 梁受力筋用钢造价比较如图16、17所示，采用高强钢筋作为受力筋时，梁受力筋用钢量节省效果显著，在1000mm覆土条件下配筋量节省达23.69%，节省用钢造价11.48%。图18 板配筋用钢量比较 图19 板配筋用钢造价比较 图18、19反映了采用热处理高强钢筋代替三级钢作为板配筋时，用钢量与用钢造价的节省效果均比较明显，但是随着覆土厚度的增加，节省的百分比并没有增加，而是呈缓慢下降的趋势。这是由于地下
21、室顶板采用双层双向配筋，上层配筋只需满足规范构造条件，在不同荷载下板上层的配筋量不发生变化，因此阻碍了节省百分比随荷载增加而上升的趋势。图20 梁板每平方米用钢量比较图21 梁板每平方米用钢造价比较将梁、板一同考虑，分析采用高强钢筋作为梁板受力筋配筋时，用钢量与用钢造价的变化趋势。如图20、21所示，采用高强钢筋配筋时，用钢量与用钢造价的节省效果明显，1000mm覆土情况下，用钢量节省达20.07%，总用钢造价节省9.05%。图22 顶板每平方米总造价比较考虑混凝土的用量与造价，计算顶板每平方米总造价随覆土厚度的变化趋势，得到图22。在600mm、800mm、1000mm覆土条件下，采用高强钢
22、筋代替三级钢筋，可使本算例中地下室顶板每平方米总造价分别节省3.30%、3.87%、4.10%。四、 柱配箍率根据高层建筑混凝土结构技术规程6.4.7规定：柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率，应符合下式要求： （4.1）式中：柱箍筋体积配箍率； 柱最小配箍特征值，宜按高规表6.4.7采用； 混凝土轴心抗压强度设计值，当柱混凝土强度等级低于C35时，应按C35计算； 柱箍筋或拉筋的抗拉强度设计值。由式4.1可知，当采用热处理带肋高强钢筋时，相较于常用的三级钢，其箍筋或拉筋的抗拉强度设计值可由360MPa提升至500525MPa，在相同条件下可以有效降低柱箍筋体积配箍率。高规6.4.7-2还规定：对于一
23、、二、三、四级框架柱，其箍筋加密区范围内箍筋的体积配箍率尚且分别不应小于0.8%、0.6%、0.4%和0.4%。依据规范计算并考虑三级钢筋与热处理高强钢筋的市场价格，得到理论上可以采用热处理高强钢筋作为框架柱箍筋的条件，见表5。表5 宜采用高强钢筋作为框架柱箍筋的条件抗震等级柱轴压比混凝土强度等级C35C40C45C50C55C60一0.450.50高强0.55高强高强0.60高强高强高强0.65高强高强高强高强0.70高强高强高强高强0.75高强高强高强高强高强二0.400.45高强高强0.50高强高强高强0.55高强高强高强高强0.60高强高强高强高强0.65高强高强高强高强高强0.70高
24、强高强高强高强高强0.75高强高强高强高强高强高强三0.300.35高强0.40高强高强0.45高强高强高强高强0.50高强高强高强高强高强0.55高强高强高强高强高强0.60高强高强高强高强高强高强注： 1. 表5适用于剪跨比大于2，采用普通箍、复合箍形式的柱； 2. 对C35以下标号的混凝土，选用情况与表中C35相同；3. 计算中取三级钢筋价格5000元/吨，热处理高强钢筋5800元/吨。而在实际应用中，由于规范条文对于箍筋直径、间距、肢距都有所规定，实际配筋中依据这些规定配筋即可满足规范要求的最小配筋率。因此，需要考虑实际构造要求，针对工程中常用的复合箍配筋形式，针对700mm、800m
25、m、900mm、1000mm方柱在不同轴压比和混凝土标号下的配箍方式进行研究，考察采用热处理高强钢筋作为其箍筋的经济性，对表5进行修正。计算中偏于安全考虑，不计算重叠部分的箍筋体积。根据规范构造要求，700mm、800mm方柱以双向5肢箍为最低配箍方式计算，900mm、1000mm方柱以双向6肢箍为最低配箍方式计算；一级抗震采用10100，二级抗震采用8100，三级抗震采用8150配箍。计算中保护层厚度取20mm、25mm。得到在四种不同尺寸柱当中可以采用高强钢筋作为框架柱复合箍筋的条件，见表69。表6. 700mm方柱宜采用高强钢筋作为框架柱复合箍筋的条件抗震等级柱轴压比混凝土强度等级C35
26、C40C45C50C55C60一0.650.70高强0.75高强高强二0.450.50高强0.55高强高强0.60高强高强高强0.65高强高强高强高强0.70高强高强高强高强0.75高强高强高强高强高强0.80高强高强高强高强高强0.85高强高强高强高强高强高强三0.400.45高强高强0.50高强高强高强0.55高强高强高强高强0.60高强高强高强高强高强0.65高强高强高强高强高强高强表7. 800mm方柱宜采用高强钢筋作为框架柱复合箍筋的条件抗震等级柱轴压比混凝土强度等级C35C40C45C50C55C60一0.550.60高强0.65高强高强0.70高强高强高强0.75高强高强高强二0.400.45高强高强0.50高强高强高强0.55高强高强高强高强0.60高强高强高强高强0.65高强高强高强高强高强0.70高强高强高强高强高强高强三0.300.35高强0.40高强高强0.45高强高强高强高强0.50高强高强高强高强高强0.55高强高强高强高强高强高强表8. 900mm方柱宜采用高强钢筋作为框架柱复合箍筋的条件抗震等级柱轴压比混凝土强度等级C35C40C45C50C55C60一0.600.65高强0.70高强高强0.75高强高强高强二0.400.45高强0.50高强高强0.55高强高强高强0.60高强
