HRB500钢筋在工程中应用的效益分析

贺彩峰 周 朕 呼 洋 刘 才 周凯谊

北京建工集团有限责任公司 北京 100055

海外建筑行业在结构中广泛应用新型强度高的HRB 500钢筋。国内GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》和GB/T 1499.2—2018《钢筋混凝土用钢 第二部分：肋骨钢筋》引进了HRB500钢筋，但在国内还没有形成大规模的普及应用。在北京市副中心建设中，尤其是在地下结构建造中，钢筋混凝土结构体系仍然占有很大的比重，大规模地推广HRB500钢筋在城市副中心建设中的应用，对提高建筑行业水平、提升建筑材料的科技进步都具有极其重要的意义，同时也符合国家绿色环保、节能减排的政策要求。本文依托北京市副中心第二期建设项目，开展HRB500钢筋在工程中效益的具体分析研究。

1 HRB500钢筋受力性能

1.1HRB500钢筋物理性能

HRB500、HRB500E钢筋与HRB400、HRB335钢筋相比，在材料中添加了V、Nb、Ti等合金元素，材料性能稳定、物理性能良好，具有强度高、延性好、焊接性能好，安全储备大、抗震性能好等优点。表1为HRB400、HRB500钢筋化学组成成分。

表1 HRB400、HRB500钢筋化学组成成分

1.2HRB500钢筋受力性能

HRB500钢筋屈服强度为500 MPa，HRB400钢筋屈服强度为400 MPa，两者相比，HRB500钢筋比HRB400钢筋屈服强度提高25.0%。HRB500钢筋的抗拉强度为630 MPa，HRB400钢筋抗拉强度为540 MPa，两者相比，HRB500钢筋比HRB400钢筋抗拉强度提高16.7%。表2是HRB400钢筋和HRB500钢筋的受力性能指标对比。

表2 HRB400与HRB500钢筋受力性能指标对比

1.3HRB500钢筋的工艺性能

HRB500钢筋连接方式有绑扎连接、焊接连接和机械连接。国内外学者对HRB500钢筋连接方式进行过大量的试验研究。焊接时，HRB500钢筋闪光焊焊接接头性能良好，达到JGJ 18—2012《钢筋焊接及验收规程》的合格要求[1]，但是焊接质量不高，离散性很大，对于重要工程不建议采用。机械连接时，HRB500钢筋接头都能满足拉伸强度。但从钢筋变形性能来看，剥肋滚压直螺纹和挤肋滚压直螺纹连接在破坏时具有较好的伸长率和良好的延性[2-3]。绑扎连接时，HRB500钢筋在直径≥25 mm以及在配筋密集区域现场操作困难。综合考虑HRB500钢筋现场施工难度系数、成本以及连接质量保证率，国外大量工程实例表明，挤压连接的质量保证率最高。

2 HRB500钢筋效益研究

2.1HRB500钢筋社会效益研究

冶炼钢材的原料为铁矿石和煤炭，根据冶金行业数据统计，冶炼1 t钢筋，需要消耗1.660 t铁矿石和0.669 t标准煤。假设工程使用HRB500钢筋比HRB400钢筋节省钢材1 t，则配置HRB500钢筋比配置HRB400钢筋节约铁矿石1.660 t，节约标准煤0.669 t。1 t标准煤燃烧将产生2.2 t的CO2、1.4 kg的SO2、9 kg的NOx、11 kg的粉尘。对于建筑结构按相同的荷载效应组合设计，使用HRB500钢筋要比使用HRB400钢筋节约钢筋用量12%～14%。配置HRB500钢筋可以减少1.471 8 t的CO2、0.936 6 kg的SO2、6.021 0 kg的NOx的排放量，还能够减少7.359 0 kg粉尘排放量。因而，HRB500钢筋是建筑工程绿色施工的必然选择，其可满足建筑行业科技高速发展的需要，符合我国可持续发展的战略目标。

2.2HRB500钢筋经济效益研究

国内外学者对HRB500钢筋在各种应力状态下承载力极限状态和正常使用极限状态的性能进行了很多研究[4-9]。研究表明：HRB500钢筋与较低强度钢筋受力性能相比，强度高、破坏时延性好、地震作用下抗震性能良好，这些优良性能使得HRB500钢筋在同样的受力工况下，比使用HRB400钢筋可节省14.3%的用量。据采购资料统计，HRB500钢筋的单价较HRB400钢筋增加了5.0%。根据钢筋等强原则，如果用HRB500钢筋代替HRB400钢筋，钢筋的购买费用可以节省7.6%～8.9%。钢筋的用量及市场价单价越高，钢筋的采购费节省越多。另一方面，由于使用高强度HRB500钢筋，钢筋数量减少了12%～14%，意味着该规模的工程项目的物资储存成本大幅减少。除此之外，对于相同条件下的构件，使用HRB500钢筋，构件中钢筋数量大大下降，这既有利于劳务工人钢筋绑扎，同时也显著提高工程混凝土浇筑质量，工程劳务成本大幅度下降。综上所述，在工程项目中应用HRB500钢筋经济效益显著。

3 工程案例

3.1工程概况

北京城市副中心二期建设项目，工程总建筑面积166 076 m2，由1#、2#单体建筑组成，结构形式均为地下现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构、地上钢结构，地上8层、地下3层，地下结构长度分别约为134 m×110 m和109 m×110 m。基础埋深14.5～16.5 m。结构安全等级为二级，工程所在地区的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，建筑抗震设防类别为标准设防（丙）类，地基基础设计等级为乙级。工程设计时，下返柱墩以及框架梁使用HRB500E钢筋，其余钢筋均为HRB400E，钢筋接头采用挤压机械连接。工程中钢筋化学成分及受力性能及接头报告如表3～表5所示。从表中数据可以看出本工程钢筋化学成分、受力性能及机械接头检验均合格。

表3 钢筋化学成分检验

表4 钢筋受力性能指标

表5 部分钢筋机械连接检验

3.2HRB500钢筋应用经济效益分析

北京城市副中心二期项目在施工图设计阶段，地下结构框架梁及下返柱墩采用HRB400、HRB500钢筋分别进行结构计算，在满足极限承载力极限状态和正常使用极限状态的要求下，框架梁及下返柱墩的钢筋用量及成本分析如表6所示。

表6 HRB400、HRB500钢筋用量比较

从表6中看出使用HRB500钢筋梁的钢筋用量减少了25.359 260 t，钢筋节约量大约为10.4%，按照近期钢筋采购价格，HRB400钢筋价格5 130元/t，HRB500钢筋价格为5 280元/t，钢筋直接采购成本造价降低了9.735万元，成本节约率为6.7%，这对于EPC工程造价控制具有显著成果。

同时以施工图设计前期阶段地下2层覆土区顶板梁配筋为分析对象，地下2层顶板覆土区段截面700 mm×1 200 mm的梁，下铁钢筋多达16根（上7根、下9根），上铁钢筋多达16根（上下各8根）。然而当采用HRB500钢筋作为框架梁主筋，地下2层同一位置顶板覆土区段同一根梁配筋下铁13根（上4根、下9根），下铁钢筋14根（上8根、下6根）。同一区段钢筋数量减少了3根，钢筋加工、绑扎、焊接量得到减少，在一定程度上降低了工程劳务费用及垂直运输和交通运输的费用。与此同时，由于钢筋数量的减少，改善了梁、柱节点和框架柱、梁中钢筋密集的状况，可以提高工程质量，为公司后续赢得更大的市场奠定了基础。

3.3HRB500钢筋应用社会效益分析

本项目在地下结构框架梁及柱墩上配置HRB500钢筋节约钢筋总量25.359 260 t，可以减少1.471 8 t的CO2、0.936 6 kg的SO2、6.021 0 kg的NOx和7.359 0 kg粉尘的排放量。从上述数据可以明显看出，HRB500钢筋是实现绿色工程和国民经济持续发展的必然选择，具有较大的环保价值。目前HRB500钢筋在我国还没有形成大规模的应用，中国年钢筋使用量约2 500万 t，若根据钢筋等强原则采用HRB500钢筋代换，钢材量可以节省375万 t左右。由此，间接减少551.925 000万 t的CO2、0.355 000万 t的SO2、2.257 875万 t的NOx、2.596 250万 t的粉尘的排放量。使用HRB500钢筋环保效益显著。

4 结语

本文通过分析HRB500钢筋在北京城市副中心二期项目中的应用，得出以下结论：

1）混凝土结构采用高性能HRB500钢筋代替HRB400钢筋，可以大大减少CO2、SO2、NOx和粉尘的排放量。有利于建筑工程的绿色施工、节能减排，符合我国可持续发展战略目标。在建筑工程中，大量普及HRB500钢筋，具有显著的社会效益。

2）在混凝土结构中，HRB500钢筋替代HRB400钢筋，可以节约钢筋总量的10%左右。减少钢筋直接采购成本约6%。在建筑工程中大量普及HRB500钢筋有明显的经济效益。

3）通过对试点工程质量控制发现，钢筋混凝土结构中用HRB500钢筋取代HRB400钢筋在相同受力条件下减少了钢筋数量，增大了钢筋的间隙，提高了各种配筋的焊接、绑扎及混凝土浇灌空间，给施工过程带来方便，保证了钢筋混凝土的施工质量。

本文依托北京市城市副中心二期实际项目，对工程中仅地下梁及柱墩钢筋采用等强代换进行了效益研究，应用规模较小，数据样本局限。在以后的研究中可以开展HRB500钢筋在工程项目中全面大规模地应用，进行社会效益和经济效益的大数据分析。