土木吧丨如何有效降低用鋼量？

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王濤

鞍鋼房地產開發集團建筑設計院有限公司

《pkpm新天地》第119期

0   前言

近些年來，由于經濟形勢的不斷變化，土地價格持續增長,土地成本相對增加,建設投資方及開發企業為了獲得更好的經濟效益，加強了對工程投資的關注和控制，這就需要建設各方從選擇材料、施工工藝和設計優化等方面進行建筑成本控制。設計階段是決定建設項目投資控制效果的關鍵階段,工程設計是影響和控制工程造價的關鍵環節,結構用鋼量的高低成為成本控制的主要因素。因此，對于結構設計來說，需要在保證結構安全、各項配筋構造符合設計規范要求的前提下，有效地降低建設成本。

如何在結構設計中有效地控制用鋼量，需要我們首先研究影響用鋼量的各種因素。單個建筑物用鋼量的多少，從大的方面來說，取決于建筑物所在地區的自然條件、建筑物的建筑方案和結構方案等；從小的方面來說，取決于結構計算假定、荷載取值、墻體材料、結構構造措施、鋼筋強度等級、混凝土強度等級等。

1   影響用鋼量的因素

1.1 自然條件

主要由建筑物所屬地區決定，包括建筑物所在地的風壓、地震作用、場地條件等對結構的影響。我們知道，作用在建筑結構上的外力，除了結構自重和附加恒活載外，還有地震作用和風荷載等。處在基本風壓較大的地區，尤其對高層建筑而言，由風荷載引起的結構內力增大，使得結構用鋼量大，反之則低。在氣候惡劣、溫差變化劇烈的地區，為抵抗溫度應力，需要增加抗拉性能優良的鋼筋，這會引起鋼筋量的增加。建筑場地類別及地基承載力影響, 主要體現在以下幾個方面：不同的場地類別對地震作用的影響不同, 如Ⅲ類場地與Ⅱ類相比，場地對地震的放大作用更顯著一些，使結構內力增大15%～25%左右, 結構鋼筋用量也相對增加；地基承載力較高時,基礎所需底面積相對小,基礎混凝土及鋼筋用量會減少。建筑場地土質差，淺層土承載力低，持力層埋深大時，需要采用樁基礎或很厚的鋼筋混凝土筏板，含鋼量較大。

1.2 建筑平面布置及立面造型

由《建筑抗震設計規范》GB50011-2010中的相關條文要求可知：建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化。如果出現了規范中界定的平面不規則和立面不規則，則要對不規則結構進行地震作用和內力計算的調整，并對薄弱部位采取有效的抗震構造措施，這些都會引起結構用鋼量的增加。

具體來說：若平面較簡單、規則、凹凸少，則用鋼量就少，反之則較多，并且平面凹凸比較多時，結構設計的各項指標也會趨于不合理,影響結構的總含鋼量；若建筑物超長，則由于必須考慮混凝土的收縮應力和溫度應力，其單位面積用鋼量要多些；若豎向結構的側向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則若豎向有外挑、內收，或豎向剛度有突變，用鋼量將增多。

1.3 結構體系和方案的選擇

對于同一建筑物，采用何種結構體系，需要結構工程師對結構概念設計和各結構體系的優缺點，有著足夠清楚地認識。因為各結構體系有著不同的工作機理，在都能滿足結構安全的前提下，各結構體系的經濟性也不盡相同。這就要求結構設計時采用多種結構方案，并通過綜合比較，給出最經濟合理的結構方案。

例如：剪力墻（8度設防）結構的用鋼量小于框架—剪力墻結構的用鋼量：剪力墻50～70kg/m2, 框架-剪力墻90～110kg/m2。

大厚板結構，如無梁樓蓋，大柱網大開間的厚板等用鋼量大于一般框架梁加次梁的梁板式的用鋼量。在建筑專業允許的情況下，做次梁加板（見圖1）的方案比做大厚板的方案節省5%左右鋼筋量。

圖1 加次梁做法

1.4 荷載取值

結構計算時，荷載取值要符合規范及實際情況,不能隨意加大,因為荷載取值的加大會使結構的用鋼量增加。荷載取值的加大，使得整個結構的總重量加大，結構的地震作用也相應加大，結構構件的內力增大，配筋也就增加；另一方面，結構總重量的加大，使得這個結構傳至基礎的力增大，加大了基礎的用鋼量以及用樁數等。

1.5 建筑墻體材料及裝飾材料

與2.4荷載取值對結構用鋼量的影響類似，建筑墻體材料及裝飾材料的影響,主要體現在，建筑設計時，若選擇重量比較輕的材料, 則重量輕, 結構構件受力小, 地震作用減小,鋼筋用量也小,結構總重量減輕, 基礎設計能夠減小截面及配筋。

1.6 結構計算假定

計算機軟件分析時, 所選計算模型和計算假定要與實際相吻合, 并應用多方案進行優化。尤其是一些參數選擇對結構配筋影響很大, 例如梁板跨中彎矩增大系數,有些情況可以不增加,在實際中有的工程取值取1.2，這樣跨中鋼筋就增加了20%,雖然增強了安全儲備,同時也增加了鋼筋用量。

1.7 混凝土強度等級和鋼筋強度等級

由規范中關于梁板的最小配筋率公式（1）：

可以得知：在最小配筋率大于0.2％的情況下，采用的混凝土強度等級低，可以降低梁板的最小配筋率，因此結構設計中在滿足規范要求的前提下，所選擇的混凝土強度等級不宜過高。同樣，從公式中也可以看出，采用高強度的鋼筋，不僅可以減小梁板等構件的配筋量，同時也降低了梁板的最小配筋率。

1.8  結構構造措施

具有較高素質的設計人員能夠通過概念設計合理地進行結構構造設計, 綜合考慮設計中的有利因素, 在保證安全的情況下，有效地減少鋼筋用量。如在框架結構設計中, 有的設計人員任意加大梁端上部鋼筋, 認為鋼筋加大,結構越安全, 其實這樣增加鋼筋,反而起到了相反的作用,在地震作用下,梁鉸機制變成了柱鉸機制,容易造成樓層屈服, 柱子先破壞, 違背了“強柱弱梁”的設計原則。

2   控制用鋼量的一些措施

2.1 優化設計方案

采用什么結構體系對于工程造價關系重大，能做落地剪力墻的就不做框支轉換層，能使短肢剪力墻減少就盡量減少。長墻肢有利于降低豎向構件的配筋率以及減少暗柱數量。長肢墻使得暗柱數量大為減少，其邊緣構件縱向筋配筋率往往較低。過多的剪力墻，會導致較大的地震作用，增加結構的配筋量。同時，由于結構自重較大，增加了基礎工程的投資。

2.2 采用新型樓蓋

樓蓋體系是建筑結構的基本組成部分之一，其重量占整個房屋重量的25%左右。降低樓蓋的質量，可大幅度減輕建筑總重量，從而減輕地震作用；同時，還可降低墻、柱及基礎的造價。降低樓蓋體系自身高度，不僅可減少層高，節約建筑空間，還可降低圍護結構、管線材料及施工機具的費用。

目前，國內外常見的鋼筋混凝土樓蓋體系有如下幾種：1）現澆梁板式樓蓋；2）井字樓蓋；3）無梁樓蓋；4）預應力框架扁梁密肋樓蓋；5）無粘結預應力無梁樓蓋。鋼筋用量最少的是無粘結預應力無梁樓蓋、其次是預應力框架扁梁密肋樓蓋，鋼筋用量最多的是井字樓蓋和現澆梁板式樓蓋。

2.3 采用Ⅲ級鋼筋

鋼筋目前常用有三種：HPB300、HRB335和HRB400,采用高強度HRB400 級鋼筋是一種趨勢，大部分設計院已全面使用Ⅲ級鋼。Ⅲ級鋼筋強度設計值是Ⅱ級鋼筋強度設計值的1.2倍，但是Ⅲ級鋼筋目前的市場價格比Ⅱ級鋼筋略高一點，價格比約為1.05～1.10。若用強度較高的Ⅲ級鋼筋代替強度低的Ⅱ級鋼筋用于建筑，則可節約鋼材約15 %，這是降低用鋼量最直接的措施。

2.4  構件設計

對于構件本身的設計，主要從梁、板、柱、墻這幾種構件，在規范允許的范圍內降低結構設計中鋼筋量的一些方法。

2.4.1 柱、墻

1)合理地確定墻柱截面：可以通過合理選擇混凝土強度等級從嚴控制柱子的軸壓比，在滿足規范要求的前提下減小柱截面。抗震墻如能合理地布置，也可以減小墻截面。2)盡量使梁對柱中布置,這樣可以減少柱子的偏心,也就減少了柱子的縱筋量。3）降低剪力墻約束邊緣構件的體積配箍率

采用C35混凝土、HRB400鋼筋比采用C40混凝土、HRB335鋼筋的配置方案降低鋼筋含量27%，軸壓比可通過調整墻截面來解決。

2.4.2 梁

1)合理設計梁截面。盡量避免梁寬≥350,否則箍筋按構造須采用4肢箍,造成箍筋用量增加。增加梁高可以降低梁面及梁底的配筋量, 但箍筋量也有所增加。2)梁的歸并系數要取小,否則歸并后雖然減少了結構的工作量, 但梁配筋就會增加。3)計算時考慮梁柱節點剛域作用,可以降低梁的配筋量。4）關于貫通筋和正彎矩鋼筋，現在一般的做法，如有一個7.2mⅹ7.2m柱網的框架梁，350mmⅹ700mm，?10@100/200（4），上筋：6Φ25（貫通4根），下筋：6Φ25，對此配筋作如下分析：①上層貫通筋：按“高規”6.3.3第2條規定：“沿梁全長頂面和底面應至少各配置兩根縱向配筋，一、二級抗震設計時，鋼筋直徑不應小于14 mm，且分別不應小于梁兩端頂面和底面縱向配筋中較大截面面積的1/4；三、四級抗震設計和非抗震設計時的鋼筋直徑不應小于12mm”。根據此梁配筋與規范標準比較：其一，支座處的上筋或下筋均為6Φ25，其貫通筋為4Φ25，已是規范要求值的267％倍，浪費不少。其二，支座與跨中鋼筋均配筋6Φ25，不符合受力規律，一般靜載加地震作用，支座M總是大于跨中M。②下部配筋其一，在地震作用時，一般下層鋼筋總是小于支座鋼筋，本設計梁下筋與上筋同量，如果上筋配置無誤，則下筋就多配了，否則支座處配筋欠缺，不安全。其二，根據高規6.3.3第2條，梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值，除按計算確定外，一級不應小于0.5，二、三級不應小于0.3，本設計上下鋼筋一樣了，也不符合受力和構造要求。其三，下部鋼筋不一定全部貫通支座，60～80年代時，框架梁下筋要求至少1/3伸入支座，其他可以彎起至上層作為上筋受力之用，在“89”規范以后，改為“框架梁宜采用直鋼筋，不宜采用彎起鋼筋”，但不小于1/3的下筋伸入支座，傳統的經驗和概念還是對的，從彎矩包絡圖來講也是符合道理的，見圖2。

圖2 彎矩包絡圖

在“平法”11G101-1第87頁中有明文規定和圖示：不伸入支座的鋼筋長度可定為l凈—0.2l凈。伸入支座的鋼筋需要多少，第一，要滿足不小于支座上筋的0.5倍或0.3倍；第二，不小于下筋總配筋量的1/3；第三，按“高規”6.3.3第2條規定。關于底部鋼筋是否全部深入支座的探討：結構設計是否應更多地考慮荷載、作用的不確定性，如臺風、地震作用及基礎的不均勻沉降等，都有可能使梁底鋼筋在支座處受較大的拉力。另外從結構的整體性來講，梁柱鋼筋在節點處全部綁扎牢固，符合框架結構的剛節點的基本要求，比梁柱鋼筋在節點處沒形成剛節點的情況，其受力性能更好。故梁底鋼筋應全部伸入支座，并達到錨固要求。5）關于配筋的誤差：在根據計算的內力進行配筋時存有一種錯誤的觀念，即認為鋼筋配的越多越好，本來內力計算時已經引入了很多安全系數，（包括材料強度和各種荷載及采用的偏于安全的保守的計算圖式等），而在具體的選配鋼筋時，人為的加大了配筋量，一般增加的鋼筋達到計算值的10％，20％，有的達50％，甚至有的100％，這種做法是不合理的，也是很危險的，因為結構一般都是多次超靜定的，在受力后，由于混凝土構件裂縫的產生，各部分的剛度均在不時的進行變化和相互調整，即在進行塑性內力重分布，從而提高了整個結構的承載力、延性和安全度，如果配筋率過大，也就是混凝土構件截面受壓區高度相應會很大，隨著彎矩的增加，鋼筋還未達到屈服強度時，受壓區的混凝土已經達到極限應變，造成脆性的破壞，使整個結構的內力來不及充分的內力重分布，使整個結構延性大大降低，最終會很快地導致整個結構的破壞，所以一定要嚴格控制鋼筋量的配置。

2.4.3 板

1）雙向板或多跨連續雙向板的配筋布置，板下層鋼筋可按下圖配筋，可省鋼筋25％左右，配筋時可把板塊按受力方向各分三個條帶，見圖3，中間l/2寬條帶范圍的配筋為計算值AS的100％，其余兩側l/4條帶配筋為計算值的50％。2）雙向板及多跨連續雙向板或單向連續板的內力與配筋計算。目前多按彈性理論計算，而截面又是按極限狀態設計，本身自相矛盾，按此方法設計的各截面的配筋不能及時發揮作用，耗鋼量大。除對在使用階段不允許出現裂縫或對裂縫開展有嚴格限制的結構，如水池等，一般板可按塑性內力重分布的方法進行設計，按此方法設計比按彈性理論設計，可節省鋼筋30％左右。3）板下部鋼筋不一定全部伸入支座錨固，可有一半在支座處截斷，如鋼筋長度可乘以0.9或0.8，布筋時交錯布置即可，其理由：a. 受力不需要可在受壓區截斷。b.可參閱“11G101-1”中第87頁所示，圖中所示的為梁的下層筋部分可不伸入支座，板也可以按此做法。

圖3 雙向板的板帶劃分

3 結論

本文從自然條件、建筑物的建筑方案和結構方案、荷載取值、墻體材料、結構構造措施、鋼筋強度等級和混凝土強度等級等方面對結構用鋼量的影響因素分別進行了闡述，并相應地提出控制用鋼量的一些措施。通過上述的分析，在確保結構方案盡可能合理的前提下，再對各結構構件進行精細化設計，結構用鋼量可以控制在一個較為合理的范圍內。

上文來自《PKPM新天地》