房屋建筑混凝土结构中HRB500级钢筋应用研究

马宏睿 崔明哲 储德文 张永青 时继瑞 姜宇鑫 张秦

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013； 2.中信金属股份有限公司， 100004）

0 引 言

HRB500钢筋因其屈服强度高，应用于受荷较大、承载力控制截面配筋的构件中，可减少钢筋使用量和安装量、节约工程物资和人力投入、显著改善梁柱节点钢筋密集的情况；同时，建筑工程中钢筋用量的减少可有效促进钢铁行业的节能减排，节省铁矿石、煤、水等消耗和二氧化碳、污水、粉尘的排放，具有显著的社会效益。目前，我国建筑市场在逐步淘汰HRB335之后，HRB400钢筋成为主要钢筋产品，HRB500钢筋的推广和普及相对缓慢。

国内对应用HRB500的钢筋混凝土构件研究始于2000年前后，多以试验研究为主，研究内容涵盖受弯构件正截面承载力、刚度和裂缝宽度［1-8］，斜截面承载力［1，9-10］，及构件和节点抗震性能［11-12］等方面，已形成较为完善的体系，现有规范中的设计方法基本适用于应用HRB500钢筋的钢筋混凝土构件和节点设计。

为促进HRB500高强钢筋在建筑工程中的应用推广，本文对现行规范中涉及HRB500钢筋的规定进行归纳总结，对其在建筑结构中应用的优势条件和制约因素进行分析；选取不同结构形式、不同烈度的高层混凝土建筑实际案例，保持构件截面和混凝土强度等级不变，采用结构设计软件，将梁、板、柱和墙等结构构件的钢筋由HRB400替换为HRB500进行重新设计，使其满足规范承载能力极限状态、正常使用极限状态的要求，并对材料用量进行对比分析；从经济性的角度，总结出适合采用HRB500钢筋的构件类型和结构形式。本文成果可为工程中HRB500高强钢筋的设计提供参考。

1 关于HRB500的规范规定

目前现行规范规定关于HRB500级钢筋的设计指导主要基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（以下简称《混规》）、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）、JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）和GB 55008—2021《混凝土结构通用规范》（以下简称《通规》）的要求。

本章梳理了规范中HRB500钢筋在承载力计算和构造要求方面的相关规定，分析了规范规定对HRB500钢筋应用于各种构件类型（梁、板、柱、墙等）及部位（纵向钢筋、横向钢筋等）时，材料用量的影响因素，并与目前普遍应用的HRB400钢筋对比，分析HRB500钢筋在节省材料用量方面有优势的应用形式。

1.1 HRB500用作梁中钢筋的规范规定

《混规》第4.2.3条规定，作为梁的纵筋，HRB500强度设计值为435 MPa，较HRB400钢筋有提高，因此梁纵筋为受力配筋时采用HRB500钢筋有较大优势。《混规》第11.3.6条规定了框架梁纵向受拉钢筋的最小配筋率，根据该条款，抗震等级为一级的框架梁，在梁采用C45及以上等级混凝土时，采用HRB500可以降低受拉筋的最小配筋率；抗震等级为二级、三级和四级的框架梁，在梁采用C40及以上等级混凝土时，采用HRB500可以降低受拉筋的最小配筋率。因此，梁纵筋按构造配置时，采用HRB500钢筋在特定条件下也有一定优势。综上，采用HRB500钢筋作为梁纵筋有优势。

《混规》第4.2.3条规定，当箍筋用作受剪、受扭、受冲切承载力计算时，fyv取值不大于360 MPa，所以HRB500作为梁箍筋时，在剪、扭及冲切承载力计算中没有优势。《混规》第11.3.9条规定了框架梁箍筋的最小配筋率要求，受限于fyv取值，因此采用HRB500在梁箍筋最小配筋率上没有优势。综上，采用HRB500钢筋作为梁箍筋没有优势。

1.2 HRB500用作板中钢筋的规范规定

《混规》第4.2.3规定了作为板钢筋，HRB500强度设计值为435 MPa，较HRB400钢筋提高，因此板钢筋为受力配筋时HRB500钢筋有优势。《通规》第4.4.6规定了采用HRB500钢筋的板的最小配筋率可采用0.15%和0.45ft/fy的较大值，采用HRB400时，板的最小配筋率为0.20%和0.45ft/fy的较大值，可见，采用HRB500钢筋楼板最小配筋率有所降低。综上，采用HRB500钢筋作为板钢筋有优势。

1.3 HRB500用作柱中钢筋的规范规定

《混规》第4.2.3规定，作为轴心抗压构件的纵筋时，HRB500钢筋的抗压强度设计值取为400 MPa，作为受拉和偏压构件的纵筋，抗拉和抗压强度设计值可以取值为435 MPa。《混规》第11.4.12条规定了采用HRB500钢筋可以减小纵向受拉钢筋的最小配筋率，相同抗震等级、相同位置的框架柱，采用HRB500钢筋时，纵向受力钢筋最小配筋率比采用HRB400钢筋时减小0.05%。综上，采用HRB500钢筋作为框架柱纵筋有一定优势。

《混规》第11.4.7条规定了框架柱的斜截面承载力计算，其中柱的箍筋强度取值受限于《混规》第4.2.3条，采用HRB500钢筋用于柱箍筋在抗剪承载力计算中没有优势。《混规》第11.4.17条规定了柱箍筋加密区的体积配箍率，此时箍筋主要发挥约束核心混凝土的作用，fyv取为箍筋抗拉强度设计值，不受360 MPa限制，可以取为435 MPa，因此采用HRB500钢筋，柱箍筋加密区的箍筋用量可有所减小，尤其对高轴压比、高强度混凝土的柱箍筋加密区减少较多。因此对于加密区箍筋构造配置，根据不同混凝土强度和轴压比数值，HRB500钢筋有一定优势。

1.4 HRB500用作墙中钢筋的规范规定

《混规》第6.2.17—6.2.19条规定的剪力墙拉弯、压弯承载力计算中，HRB500钢筋的屈服强度设计值可取为435 MPa，因此HRB500钢筋作为剪力墙边缘构件纵筋和竖向分布筋有一定优势，但实际工程中，这部分钢筋通常为构造配置。

《混规》第11.7.4、11.4.5条规定了剪力墙斜截面抗震受剪承载力计算，此时墙身分布钢筋的强度设计值受360 MPa限制，因此采用HRB500钢筋对墙身受剪承载力计算没有优势。《混规》第11.7.14条给出了剪力墙水平和竖向分布钢筋的最小配筋率，与钢筋强度无关，采用HRB500钢筋对墙身的构造钢筋没有优势。综上，采用HRB500钢筋作为墙身水平分布筋和竖向分布筋，在构造配筋时没有优势。

《混规》第11.7.18条规定约束边缘构件的纵筋构造配筋与钢筋等级无关；《混规》第11.7.19条规定构造边缘构件的纵筋和箍筋的构造配筋与钢筋等级无关。因此HRB500钢筋对剪力墙的约束边缘构件的纵筋最小配筋率、构造边缘构件的纵筋和箍筋最小配筋率没有优势。

《混规》第11.7.18条规定，剪力墙约束边缘构件的箍筋的体积配箍率应满足此时箍筋主要发挥约束作用，fyv取为箍筋抗拉强度设计值，不受360 MPa限制，可以取为435 MPa。因此采用HRB500钢筋，剪力墙约束边缘构件的箍筋用量可有所减小。

2 算例对比

本节选取8个实际建筑案例，采用PKPM设计软件进行计算分析，在保持构件截面和混凝土强度等级不变的基础上，将原设计的HRB400钢筋部分或全部替代为HRB500钢筋重新计算设计，并通过软件自动统计钢筋用量，以对比HRB500在材料用量方面的优势。主要选取案例信息见表1，案例结构模型见图1。

图1 案例结构模型Fig.1 3D models of 8 case structures

表1 对比案例汇总表Table 1 Summary of 8 projects

对每个案例，建立三个对比模型：模型A，所有钢筋均采用HRB400；模型B，所有钢筋均采用HRB500；模型C，考虑不同等级钢筋的价格差异，基于经济性对模型B进行优化，同时采用HRB500和HRB400钢筋。模型C的设置原则为：基于钢筋波动价格的均值，假设HRB500级钢筋比HRB400单价高5%（即假设HRB400钢筋单价为1，则HRB500钢筋为1.05），根据模型B的钢筋用量分析结果，仅对HRB500钢筋替换后钢筋用量节省超过5%的构件类型和部位的钢筋进行替换，节省量小于5%的构件类型和部位仍采用HRB400钢筋。

2.1 剪力墙结构案例

剪力墙结构选取了高度100 m以内、不同设防烈度的三个案例：案例一为位于重庆市高层公寓项目，地上结构11层，结构高度39 m，抗震设防烈度6度（0.05g），设计I组，基本风压为w0=0.40 kN/m2；案例二为位于广东省佛山市住宅项目，结构高度52 m，抗震设防烈度7度（0.10g），设计I组，基本风压为w0=0.60 kN/m2；案例三为位于北京市住宅项目，结构高度96 m，抗震设防烈度8度（0.20g），设计I组，基本风压为w0=0.45 kN/m2。

三个剪力墙案例的模型A和模型B的单位面积钢筋用量对比如表2所示。

表2 剪力墙结构单位面积钢筋用量对比Table 2 Comparison of rebar consumption perunit avea in shear wall structures

由表2可见，采用HRB500钢筋替换HRB400钢筋后，钢筋节省3.4%～5.2%，钢筋节省较少。

由表3可见，三个剪力墙案例采用HRB500钢筋替换后，墙身钢筋、梁（连梁）箍筋和暗柱区纵筋均没有节省，板钢筋有2.5%～4.3%的节省，约束边缘构件的箍筋有6.7%～17.2%的节省，梁（连梁）钢筋有9.3%～14.5%的节省。可见，对剪力墙结构，仅梁（连梁）纵筋和约束边缘构件箍筋采用HRB500钢筋有一定的经济优越性。

表3 剪力墙结构不同类型构件钢筋节省百分比Table 3 The percentage of rebar saving for different members in shear wall structures

2.2 框架结构案例

框架结构选取了不同设防烈度的两个案例：案例四为位于海南省三亚市的商业综合体建筑，结构高度39 m，抗震设防烈度6度（0.05g），设计I组，基本风压为w0=0.85 kN/m2；案例五为位于江苏省苏州市的商业综合体建筑，结构高度29 m，抗震设防烈度7度（0.10g），设计I组，基本风压为w0=0.45 kN/m2。

由表4可见，采用HRB500钢筋替换HRB400钢筋后，钢筋节省7.0%～8.5%，钢筋节省较多。

表4 框架结构单位面积钢筋用量对比Table 4 Comparison of rebar consumption perunit avea in frame structures

表5 框架结构不同类型构件钢筋节省百分比Table 5 The percentage of rebar saving for different members in frame structures

2.3 框架-剪力墙结构案例

框架-剪力墙结构选取了不同设防烈度的三个案例：案例六为位于重庆市的超高层办公楼，结构高度223 m，抗震设防烈度6度（0.05g），设计Ⅰ组，基本风压为w0=0.45 kN/m2（高层结构考虑1.1倍放大），底部23层采用型钢混凝土柱，上部为混凝土柱；案例七为位于广东省深圳市的高层研发办公楼，结构高度约200 m，底部11层采用型钢混凝土柱，上部为混凝土柱，抗震设防烈度7度（0.10g），设计Ⅰ组，基本风压为w0=0.75 kN/m2（高层结构考虑1.1倍放大）；案例八为位于山西省太原市的高层办公楼，结构高度143 m，底部23层采用型钢混凝土柱，上部为混凝土柱，抗震设防烈度8度（0.20g），设计Ⅱ组，基本风压为w0=0.45 kN/m2（高层结构考虑1.1倍放大）。

由表6可见，采用HRB500钢筋替换HRB400钢筋后，钢筋节省6.7%～9.3%，钢筋节省较多。

表6 框架-剪力墙结构单位面积钢筋用量对比Table 6 Comparison of rebar consumption perunit avea in frame-shear wall structures

由表7可见，三个框架-剪力墙案例的梁（连梁）箍筋、墙身分布钢筋和墙暗柱纵筋采用HRB500钢筋没有优势。对梁、板以受弯为主的构件，根据跨度不同荷载不同，梁、板纵筋有8.9%～16.2%的节省。柱的箍筋，按照规范规定，一般轴压比高、混凝土强度高的柱箍筋采用HRB500钢筋，加密区体积配箍率有一定降低，但本次选取的三个案例底层轴压比高的区域柱均属于短柱，因此采用HRB500钢筋基本没有优势。柱的纵筋，三个案例底部11～20层分别为型钢混凝土柱，型钢混凝土柱的最小配筋率与钢筋的强度等级无关，因此采用HRB500钢筋没有优势；三个案例的顶部1～2层的钢筋混凝土柱以受弯为主，采用HRB500的钢筋有10%～17%的节省；三个案例中间段混凝土柱均为构造配筋，采用HRB500钢筋柱的最小配筋率为0.90%，比HRB400的最小配筋率0.95%节省约5.2%，各案例由于配筋归并差异，综合来看略有减小。采用HRB500钢筋对约束边缘构件的箍筋配置能节省钢筋，三个案例HRB500对约束边缘构件的箍筋有12.7%～18.7%的节省。

表7 框架-剪力墙结构不同类型构件钢筋节省百分比Table 7 The percentage of rebar saving for different members in frame-shear wall structures

3 HRB500钢筋用量、经济性和碳排放总结

3.1 构件分项钢筋用量分析总结

3.1.1 梁、板构件钢筋用量对比

根据对HRB500钢筋相关规范梳理和案例分析，梁板构件采用HRB500钢筋的钢筋用量对比总结：

（1） 由于钢筋当用作受剪、受扭、受冲切承载力计算时，HRB500的钢筋的强度设计值仅取为360 MPa，与HRB400钢筋相比承载力没有优势，因此所有案例梁箍筋都没有优势。

（2） 梁属于受弯构件，纵向抗拉钢筋用于提供抗弯强度，其配筋率一般由实际受力决定，而不是受最小配筋率控制，因此纵筋采用高强度钢筋有较大优势。大部分结构梁纵筋的钢筋用量均有10%以上的节省，仅6度区框架结构由于梁截面较大，构造配筋较多，梁纵筋节省为8.4%。HRB500用于梁的纵筋有很大优势。

喻之之，原名喻进，女，80后。湖北省作协签约作家，武汉市作协签约作家。已在《中国作家》《长江文艺》《芳草》等杂志发表小说数十万字。酷爱阅读，热爱写作。爱美，相信美好的承诺，喜欢所有美丽的人、事物和风景，喜欢做美梦，睡着的美梦，是去唐朝给李白铺纸研墨；醒着的美梦，是这辈子可以写一本好书、一部好的剧本，拍一部完美的关于爱情的电影。万里长征踏出了第一步，2012年，中短篇小说集《十一分爱》入选“21世纪文学之星丛书”。

（3） 剪力墙结构中的板由于板跨小，荷载小，板构造配筋较多，板钢筋节省较少，节省百分比为2.5%～4.3%；框架结构中的板，次梁配置较多，板跨小但是荷载大，板钢筋节省百分比为5.5%～8.1%；框架核心筒结构中的板，板跨较大且荷载大，板钢筋节省百分比为8.9%～14.3%。板钢筋采用HRB500钢筋有较大优势。

3.1.2 墙构件钢筋用量对比

根据对采用HRB500墙体钢筋相关规范梳理和案例分析，墙构件采用HRB500钢筋的钢筋用量对比总结：

（1） 剪力墙的墙身分布筋基本为构造配置，HRB500钢筋基本没有优势。

（2） 剪力墙暗柱纵筋和构造边缘构件的箍筋基本为构造配置，HRB500钢筋基本没有优势。

（3） 剪力墙约束边缘构件箍筋的抗拉强度设计值可以按实际取值的规定，采用HRB500钢筋可以减小约束边缘构件和B级高度的构造边缘构件的最小配箍率。剪力墙结构中的暗柱箍筋有7%～17%的节省；框架-剪力墙结构均为B级高度结构，有13%～19%的节省。

3.1.3 柱构件钢筋用量对比

（1） 对于超高层的框架-剪力墙结构中的柱以受压为主，柱截面主要由轴压比限制条件控制，柱纵筋主要由最小配筋率决定，因此HRB500级钢筋没有明显的节省；仅在顶部1～2层以受弯为主的柱采用HRB500钢筋有节省。因此HRB500不推荐用于框架核心筒结构的柱的纵筋。

对于超高层的框架-剪力墙结构中的柱箍筋，抗剪计算时HRB500没有优势，体积配箍率计算时HRB500采用较高的抗拉设计强度可以减少箍筋用量，但受构造要求限制（如最小直径、最大间距等要求），实际可以减少的用钢量有限。因此HRB500不推荐用于框架核心筒结构的柱的箍筋。

（2） 对于框架结构，结构高度小、柱距大，为了商业能得到更多有效空间，柱截面尺寸受到限制，柱纵筋配筋率较高。柱受弯效应明显，因此HRB500钢筋有较明显的节省，HRB500建议用于框架结构的结构柱纵筋。

对于框架结构柱的箍筋，抗剪计算时HRB500没有优势，体积配箍率计算时HRB500采用较高的抗拉设计强度可以减少箍筋用量，实际箍筋减少需结合构造要求决定。

3.2 不同结构形式HRB500钢筋用量和造价分析总结

根据各案例模型B的分析结果，仅在模型B比模型A钢筋用量节省百分比大于5%的构件类型和部位中应用HRB500，其他构件和部位中钢筋采用HRB400，得到经济性优化后的模型C。各案例模型C采用HRB500的主要替换部位列表如表8所示。

表8 各案例模型C替换HRB500钢筋部位汇总表Table 8 Summary of structural members replaced with HRB500 in model C

由表9可见：

表9 不同类型结构HRB500钢筋用量和造价节省百分比Table 9 Percentage of HRB500 consumption and cost savings in different types of structures

（1） 本文选取的剪力墙结构采用HRB500钢筋后，钢筋用量节省3.4%～4.5%，钢筋造价减少约2%，剪力墙结构钢筋用量较低，因此对于高度100 m以内的剪力墙结构整体造价节省不明显。100 m以内的剪力墙结构中不建议采用HRB500钢筋。

（2） 框架结构采用HRB500钢筋后，钢筋用量节省7.0%～8.5%，钢筋造价减少3.2%～5.2%，框架结构单位面积钢筋用量较高，因此对于框架结构整体造价节省有一定节省。框架结构中建议采用HRB500钢筋。

（3） 框架-剪力墙结构采用HRB500钢筋后，钢筋用量节省6.6%～8.5%，钢筋造价减少4.0%～6.1%，框架-核心筒结构单位面积钢筋用量一般偏高，因此对于框架-核心筒结构整体造价节省有较明显的节省。框架-核心筒结构中建议采用HRB500钢筋。

3.3 HRB500钢筋碳排放分析总结

根据国家标准GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》附录D规定，热轧碳钢钢筋的碳排放因子为2 340 kg CO2/t，即每生产1t热轧碳钢钢筋，排放2 340 kg CO2。根据八个案例的计算分析得到模型C比模型A单位面积碳排放节省汇总表如表10所示。

表10 不同结构类型的模型C钢筋碳排放节省对比Table 10 Comparison of carbon emission savings of model C in different types of structure

由表10可知，采用经济较优的模型C，剪力墙结构单位面积的碳排放节省量较少，节省约3.3～3.7 kg/m2；框架结构单位面积的碳排放节省量居中，节省7.7～9.8 kg/m2；框架-核心筒结构单位面积的碳排放节省量最多，节省9.8～14.08 kg/m2。由此可见结构构件采用HRB500级钢筋能减少碳排放，具有较好的经济效益。

4 结 论

基于对8个不同结构形式、不同抗震烈度的结构案例，在满足现行规范要求的基础上，进行了HRB500替代原设计HRB400的计算分析，总结出采用HRB500钢筋有利的部分类型构件。并对优化替换方案从结构钢筋用量、钢筋经济性以及碳排放影响进行了对比研究，得出如下结论：

（1） 对高度100 m以内的剪力墙结构、框架结构和框架核心筒结构应用HRB500钢筋替代HRB400钢筋，经济性效果评价如表11所示。

表11 不同结构类型HRB500钢筋优越性评价Table 11 Superiority evaluation of different structural types using HRB500

（2） 不同构件类型和部位应用HRB500钢筋替代HRB400钢筋，经济性效果评价如表12所示。

表12 不同构件类型和部位HRB500钢筋优越性评价Table 12 Superiority evaluation of different component types using HRB500

综上所述，HRB500级钢筋作为梁、柱的纵向受力钢筋，特别是配筋密集的部位，有较好的经济效果和实用效果。现行规范对HRB500级钢筋采用1.15的分项系数，经过十多年的研究和应用，未来若采用与HRB400级钢筋相同的分项系数，其强度设计值可以达到450 MPa，经济效益将进一步提高。

目前国内建筑以钢筋混凝土结构为主，钢筋需求量大，在高强钢筋能较好发挥优势的部位采用HRB500进行替换能得到较好的经济效果和环保效果，在“双碳”目标背景下有良好的推广前景。