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建筑结构丨四级钢的材料特性及实例应用分析

建筑结构2018-04-15 18:35:52

四级钢来了!
从国家和行业政策导向来判断,逐步限制、禁止使用,低强度建筑材料,推广应用高强度建筑材料将是大势。以规范为基础,结合若干标准户型为算例,梳理出关键点,看看四级钢究竟该如何使用。在专业内,我们把HRB400(400MPa级钢筋)成为三级钢,HRB500(500MPa级钢筋)称为四级钢。


规范已明确将三级钢(400MPa级钢筋)作为主力钢筋,提倡应用四级钢(500MPa级钢筋)。


截止2015年4月,市场四级钢主要厂家分布情况如下,很直观可以看到,目前四级钢在华北、华东、华南各地均有生产,但产地分布不均、运输受限。



目前市面上主流使用三级钢(400MPa级钢筋),极少数构件会使用二级钢(335MPa级钢筋),《北京市推广、限制和禁止使用建筑材料目录(2014年版)》明确提出,禁止使用335MPa级钢筋,推广500MPa级钢筋。


【推广使用的建筑材料】


【禁止使用的建筑材料】



四级钢(500MPa级钢筋)与三级钢(400MPa级钢筋)性能及价格对比:

▲《混凝土结构设计规范 GB 50010-2010》,抗拉强度提高21%;抗剪强度无提高;抗压强度提高14%



▲钢材价格提高5~10%


四级钢:易用?难用?
1、强度高、延性好。
2、解决混凝土构件中的钢筋拥挤问题,提高混凝土浇筑质量


▲梁纵筋根数减少


▲剪力墙纵筋根数减少


3、材料绝对单价比传统钢材高
4、使用不当会引发裂缝过大、挠度不易控制


▲楼板裂缝加大(图二为500MPa级钢筋)

▲梁裂缝加大(图二为500MPa级钢筋)


▲梁挠度加大(图二为500MPa级钢筋)
5、受目前国内市场的生产能力、运输条件影响显著


构造特点与强度利用
1.抗拉强度:强度取四级钢数值
2.受剪、受扭、受冲切计算时:强度取三级钢数值(并未发挥四级钢材料特性)
3.抗压强度:取值并未完全达到四级钢强度(并未充分发挥四级钢材料特性)
以上可见只有在受拉时完全发挥材料特性


4.钢筋强度越高,相应的锚固、搭接长度越长


▲lab为钢筋锚固长度,与钢筋强度fy成正比

▲ll为钢筋搭接长度,与钢筋强度fy成正比


以多栋标准楼型为例进行构件使用分析

▲1T4、十字标准户型

▲板楼、塔楼标准户型
楼型资料:层高2.9~3.0m,建筑总高度80m~110m,抗震设防烈度6度~8度,结构抗震等级一~三级,剪力墙结构体系


a)梁(节省4~10%梁钢筋用量)


结论:
纵向受力筋适用,构造筋(箍筋、腰筋、拉筋、吊筋、附加箍筋)不适用
原因:
1.纵向受力筋:使用高强钢筋可有效减小配筋面积,同时解决钢筋拥挤问题,提高混凝土浇筑质量
2.构造筋:抗剪计算时强度同三级钢,可能会加大锚固搭接长度



受力筋与构造筋全替换

★受力筋占梁钢筋60%~70%,理论节省钢筋12%
★两种级别构造钢筋差异不大
★只替换纵向受力筋,节省钢筋4~8%


b)板(节省10%板钢筋用量)



板钢筋最小配筋率
★最小配筋率控制配筋时,理论节省钢筋16%
★考虑施工因素,面筋最小规格[email protected],配筋大于最小配筋率



▲最小配筋率控制时,标准板块配筋图(上图为400MPa,下图为500MPa)
★最小配筋率控制配筋时,常用板跨3~5m,实际节省钢筋4~5%
★非最小配筋率控制配筋时,实际节省钢筋会大于4~5%,理论可达极限值约20%



▲某案例板配筋总面积:400MPa-77109mm²,500MPa-64463mm²,节省16.4%
★此案例需考虑最小配筋率控制的边界,板面筋实配会比统计稍大


结论:
板可使用500MPa级钢筋,会有效减小配筋面积


c)墙(节省5~8%墙钢筋用量)


▲钢筋全替换


★边缘构件占墙钢筋50%~65%
★两种级别墙身钢筋差异不大
★墙梁越多,节省越明显(同梁配筋)
★钢筋等级全替换,节省钢筋3.8%~5.2%


▲边缘构件组成分析(单位:kg)


★两种级别纵筋差异不大

结论:
边缘构件中箍筋、连梁中纵向受力筋适用(同梁配筋),且连梁越多,节省效果越明显
原因:
1.连梁配筋如梁(适用受力筋)
2.高强钢筋使体积配箍率有效降低,以10为模数的箍筋间距可有效减少箍筋配筋量


d)柱(节省4~5%柱钢筋用量)



▲钢筋全替换(单位:kg)

★两种级别箍筋差异不大


结论:
地下室柱子中的纵向钢筋适用,箍筋不适用
原因:
1.高强钢筋可有效降低纵向钢筋配筋率
2.箍筋受加密区间距、直径等构造要求,效果不显著


总结


1、梁纵向受力筋可使用500MPa级钢筋,节省钢筋用量约0.5~1.5kg
2、板钢筋均可使用500MPa级钢筋,节省钢筋用量约1.2kg
3、剪力墙边缘构件中箍筋、连梁中纵向受力筋可使用500MPa级钢筋,节省钢筋用量约1~1.7kg,综合用钢量可节省6~10%,约2.7~4.4kg
4、500MPa级高强材料是未来应用趋势。



来源:万科建筑研究中心,版权归原作者。若涉及侵权,请与我们联系,我们会第一时间处理。


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