结构设计中节约用钢量的方法

吕敏

（淮北市建筑勘察设计研究院有限公司，安徽 淮北 235000）

1 前言

土建工程造价一般占建筑总造价 (不包括工艺设备)的70%～80%;土建工程造价中,约75%为材料费,材料费中40%～70%为钢筋的费用。所以严格按规范进行设计,对含钢量进行控制。交付建设单位既安全又经济的设计成果,是每个结构设计工程师要解决的现实问题。

2 结构体系的布置

2.1 竖向构件布置

建筑条件图提出后，结构工程师须对柱网大小和疏密是否合理给予判断，剪力墙结构还需在条件图基础上布置合理的剪力墙，在此结构方案阶段必须通过初步计算比较，提出最优化的结构方案，这对整个工程钢筋用量起着很重要的作用。结构设计的具体操作就是合理地确定墙柱截面，墙柱一般是压弯构件，其配筋量在多数情况下搜采用构造配筋，因此在其混凝土强度等级合理取值且满足轴压比要求的前提下，墙柱截面不宜过大，否则用钢量将随其截面增大而增加。结构设计中，柱截面种类不宜过多是设计中的一个原则，在柱网疏密不均的建筑中，某根柱或为数不多的若干根柱由于轴力大而需较大截面，而建筑考虑便于装修则希望柱截面相同，此时如将所有柱截面放大以求其统一，势必增加用钢量。经济合理的做法应是对个别柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以劲性钢筋以提高其轴压比，从而达到控制其截面尺寸的目的。这样个别处理要比大面积增加用钢量更科学经济。利用竖向交通井道而形成的剪力墙筒体，其外围墙体对结构刚度的贡献最大，而内部墙体则贡献甚微。在满足结构整体刚度的前提下，筒体内部的剪力墙不宜过多过厚和过于零碎，否则会增加该部位墙体用钢量且对结构无大作用。从施工角度看，剪力墙形成的筒体越是完整划一，施工就越方便。从受力角度看，筒体内部隔墙若设梁支承于筒体外围墙上，从而增大外围墙的轴力避免受拉对其受力反而有利，尤其是内筒的角部处。如果是高层建筑，墙柱截面还有一个收级问题。从节省用钢量的角度出发，墙柱截面应尽量小，只要符合模数，几乎可以每层都收级，但从结构整体特别是从施工角度考虑，一幢高层建筑的墙柱截面变化过于频繁、截面种类过多却不科学，这种只看局部不顾整体、因小失大的做法是不可取得。

2.2 水平构件布置

通常指的是楼层梁板构件，其布置原则首先是受力传力合理，其次是使用效果（包括视觉效果）良好，最后才是用钢量的节省，设计中不能本末倒置。对于公共建筑的楼层，如结构单元两向主轴尺寸相近，则以两向井字次梁布置；如两向主轴尺寸相差甚大，则区分主、次框架，以典型的交梁楼盖布置，其中板跨控制在约3m，板厚取100m。对于住宅建筑，在3～4.5m正常开间情况下，楼板厚度为100～120mm，应尽量增大板跨，而没必要也不应凡遇隔墙就设梁。当采用高强钢筋时，应使板的配筋由内力控制而非按构造配筋，否则将得不偿失。当板跨小、布梁多时肯定用钢量会增多，而且可能使楼面荷载多次传递，造成受力不合理。

2.3 构件的配筋构造

由于设计规范中有明确具体的规定，设计时都不应违反，但在符合规范规定的前提下，仍有不少设计技巧能达到节省用钢量的目的。

2.3.1 柱：设计中应通过混凝土强度等级的合理确定来控制其截面尺寸和轴压比，使绝大部分柱段都是构造配筋而非内力控制配筋，此时柱主筋就可以按规定的最小配筋率或其略高的配筋率选择主筋规格；至于柱箍筋的体积配筋率，由公式中可以看出，采用高强度钢筋比低强度钢筋更可节省用钢量。因此，对于高层建筑的柱箍筋主张采用HRB335甚至HRB400，尽量避免采用HPB235也就不难理解了。结构顶层边柱尤其是抽掉中柱的大跨度边柱，往往是大偏心受压，其主筋配筋量由内力控制且都较大，为了降低配筋率来节省用钢量，通常采用改变柱竖向形状的方法，如改变后仍难以承受其所承担的弯矩，有时干脆可将梁柱顶节点设计成简支，使柱中心受压或小偏心受压，此时的边柱也不必改变竖向形状且截面可较小。

2.3.2 梁：配筋大多由内力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。从梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率中可以看出，要使梁的用钢量不太高，一是混凝土强度等级不宜过高，二是采用高强度钢筋，前者不仅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作为受弯构件的梁的抗裂性能。对截面宽度较小的梁，当配筋量较大时往往需要放2～3排钢筋，无疑将减小梁的有效高度，因此当不影响使用或建筑空间观感时，梁宽宜略为放大，尽量布置成单排主筋，尤其是梁截面高度不太大时，以达到节省钢筋的目的。

2.3.3 楼板;前面已提及现浇混凝土楼板的厚度通常在100mm以上，在此条件下宜将板跨增大，使其配筋为内力控制而非构造配筋，按此结果楼板配筋只有采用HRB335或HRB400才能达到节省用钢量的目的。对于大跨度双向板，由于板底不同位置的内力存在差异，设计中不宜以最大内力处的配筋贯通整跨和整宽。为了节省用钢量，一般应分板带配筋，其次当板底筋间距为150mm或100mm时，不需将每根钢筋都伸入支座，其中约半数钢筋可在支座前切断。当板面需要采用贯通面筋时，贯通筋的配筋通常不需也不宜超过规定的最小配筋率，这样既符合规范规定又节省用钢量。

2.3.4 抗震墙：抗争墙分为加强部位和非加强部位两类，高烈度区一般前者必须按约束边缘构件配筋，后者则按构造边缘构件配筋。不管是节点区还是其余墙段，前者的配筋量均远大于后者，因此在结构设计中应严格区分抗震墙的加强部位和非加强部位，以达到减少用钢量的目的。

抗震墙如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是内力控制配筋而是构造配筋，这样其节点区主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可按规范规定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等级较高而需要提高其配筋率，也应控制在较小的幅度内，否则将大幅增加用钢量。

2.3.5 构件设计

构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是 Q235(类似 A3)和 Q345（类似 16Mn）通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。

构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。

3 结语

钢筋混凝土结构设计中要做到节省用钢量，对结构工程师而言，就必须全方位考虑，宏观上给予定性掌握，微观上给予定量控制。首先，结构方案布置和勾结案截面选择阶段，在满足结构和构件受力变形合理的前提下要有利于节约用钢量；其次在构件具体配筋阶段，在满足规范对构件的配筋构造要求前提下，科学合理地对钢筋规格作出选择，以达到节省用钢量为目标。

[1]谭泽先.建筑结构含钢量的研究[J].建筑科学,2007(23)9:44-47.

[2]黄朱功.结构设计过程中的含钢量控制[J].企业科技与发展,2009(262)16:108-109.