影响结构设计用钢量的因素及控制措施

[摘要]从结构体系、自然条件、超限问题等方面分析了对结构中用钢量的影响因素，并具体分析了如何在结构用钢量指标调整及构件配筋设计这两个阶段来控制用钢量。

[关键词] 用钢量；规范指标；构件设计；

中图分类号：TB482.2文献标识码：A

影响钢结构用钢的因素较多，对不同类型的结构，影响用钢的因素也有区别和侧重。就拿住宅来说，随着社会的发展，越来越多的高层住宅的出现，以及结构计算软件的成熟，使得住宅的设计越来越机械化和程序化。而且越多的工程实例预决算结果数据总结，使得住宅的设计越来越被条文化。这就使从事结构设计人员越来越觉得民用市场的难做。面临着越来越多的房地产开发商的有了更多的工程实例及数据统计。如何在保证安全的基础上尽可能的节约钢筋量，成为近几年做民用建筑设计首要考虑的问题。

一．影响建筑结构设计中钢筋用量的主要因素：

1.建筑场地类别

不同的场地类别对地震作用的影响不同，因为场地类别的不同会使结构的抗震等级及特征周期值不同，如Ⅳ类场地与Ⅲ类相比，场地对地震的放大作用更显著一些，使结构水平内力增大,结构钢筋用量也相对增加。

2.地震烈度

通过《抗震规范》我们知道，建筑物所属地区的抗震设防烈度直接决定建筑结构地震作用的大小，是导致用钢量不同的直接因素，而以地震烈度为基础的，依据不同的结构体系而导致的抗震等级不同，产生的钢筋构造要求也不相同，所以结构的含钢量也相差较大。

3.基本风压

对地震烈度较小的地区，尤其是对高层建筑（高度超过60m的建筑）而言，受风荷载影响将较为明显。风荷载越大，引起的结构水平内力增大，从而导致结构用钢量大。

4.建筑物的高度及其平立面的规则程度

通过《抗震规范》3.4节的内容可知，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性。建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化。建筑物若存在高度上的超限，或是平立面上的超限问题，则需要对结构进行地震作用和内力计算的调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，若建筑自身有过多的悬挑结构（8、9度时的大跨度和长悬臂结构应计算竖向地震作用）或转换结构等，都会造成结构内力增大、用钢量增加。

5. 基础工程

地基承载力较高时，基础所需底面积相对小，基础混凝土及钢筋用量会减少。建筑场地土质差，浅层土承载力低，持力层埋深大时，需要采用桩基础或很厚的钢筋混凝士筏板，含钢量较大。所以对基础采取什么形式 ,必须反复权衡 ,能用浅基础时就不要用桩基 ,采用桩基时必须的权衡桩的综合造价，例如，对现在上海住宅设计中常用的PHC管桩，首先是要采用最少的体积，其次是A型桩与AB型桩的市场价格也相差较多。具体工程中要选用不同的方案综合市场因素进行比选，才能得到较优化基础方案，节约造价。另一方面，基础工程中，选用不同的计算软件和计算假定，计算基础沉降量及配筋量值差异较大，也会导致基础的用钢量结果差异较大。

6. 混凝土强度等级和钢筋强度等级

采用的混凝土强度等级低，可以降低梁板的最小配筋率 ，因此结构设计中在满足规范要求的前提下，所选择的混凝土强度等级不宜过高。同样用高强度的钢筋，不仅可以减小梁板等构件的配筋量，同时也降低了梁板的最小配筋率。这些细节应该在设计中引起注意。

7.温度应力的影响

在气候恶劣、温差变化剧烈的地区，为抵抗温度应力，需要增加抗拉性能优良的钢筋，这会引起钢筋量的增加，比如说屋顶结构等等需要考虑温度变化造成混凝土的收缩应力的地方。

二. 控制结构用钢量的相应措施：

1.优化设计方案

1.1结构体系的选取

采用什么结构体系对于工程造价关系重大，能做落地剪力墙的就不做框支转换层，能使短肢剪力墙减少就尽量减少。长墙肢有利于降低竖向构件的配筋率以及减少暗柱数量。长肢墙使得暗柱数量大为减少其边缘构件纵向筋配筋率往往较低。

1.2 结构指标的调整

结构的模型调整很重要，合理的模型必定是刚度适中，变形协调。不能受一点影响就指标不够，已不能刚度余量太大，这样势必造成浪费。位移比也一定不能太大，最好控制在1.2以下，否则的话，最大位移角仍未与平均位移角相接近。如对于相对简单的高层住宅来说，其墙体的布置原则是尽量不布置短肢剪力墙，而且可能的话，其前三周期的比例基本接近1.0。位移角结果基本控制在1/1000~1/1050，位移比尽量1.05以下，不超过1.2。尽量不采用上翻凸窗梁的方式调整位移，因为这种方式往往会导致上翻梁的高度太大，刚度较大，而导致相关区域的梁和墙体的配筋结果均较大。

也就是说指标调整结束后，必须相应的调整结构构件的配筋，使梁的配筋率不能过大，最好控制在1%左右，一栋刚度适中，受力合理的结构必定没有突变的配筋，这样才能保证建筑物配筋量的适中。

2.荷载取值

结构计算时，荷载取值要符合规范及实际情况，不能随意加大，因为荷载取值的加大会使结构的用钢量增加。荷载取值的加大，使得整个结构的总重量加大，结构的地震作用也相应加大，结构构件的内力增大，配筋也就增加；另一方面，结构总重量的加大，使得这个结构传至基础的力增大，基础的造价也会相应增加。

3.采用轻质填充墙材料及装饰材料

建筑墙体材料及装饰材料的影响，主要体现在建筑设计时，选择重量比较轻的材料，则自重轻，结构构件受力小，地震作用减小，钢筋用量也小，结构总重量减轻，基础造价也能相应减小。

4.采用HRB400级钢筋

钢筋目前常用有三种：HPB235、HRB335和HRB400，采用高强度HRB400级钢筋也已成为趋势。Ⅲ级钢筋强度设计值是Ⅱ级钢筋强度设计值的1.2倍，但是Ⅲ级钢筋目前的市场价格比Ⅱ级钢筋略高一点，价格比约为1.O5～1.10。若用强度较高的Ⅲ级钢筋代替强度低的Ⅱ级钢筋用于建筑物，则可节约钢材约15％，这是降低含钢量最直接的措施。

5.构件设计

5.1柱、墙

(1)合理地确定墙柱截面，可以通过合理选择混凝土强度等级从严控制柱子的轴压比，在满足规范要求的前提下减小柱截面。

尽量均匀的布置长肢剪力墙，协调建筑结构的整体性。

(2)尽量使梁对柱中布置，这样可以减少柱子的偏心，也就减少了柱子的纵筋量。

对墙体的钢筋配置，有以下几方面：1）分布筋的配置：严格控制分布筋的配筋率，不要随意的放大，墙体分布筋是剪力墙钢筋用量的大头。当然竖向分布筋的配筋率还必须和电算相对应，再没必要的前提下，电算工业不要随意放大竖向分布筋的配筋率。2）短肢剪力墙配筋：对轴压比小于0.3的短肢剪力墙，采用不提高其混凝土强度等级的做法，这样也可以减小其配筋率来节约钢筋。

5.2梁

(1)合理设计梁截面。尽量避免梁宽≥350，否则箍筋按构造须采用4肢箍，造成箍筋用量增加。增加梁高可以降低梁顶面及梁底的配筋量，但箍筋量也有所增加。

（2）尽量采用架立筋搭接的方式，或者减小贯通筋直筋，梁端负弯矩钢筋采用组合的形式。对受拉锚固时，当钢筋面积相同时，尽量选用小直径钢筋，减小锚固长度，从而节约钢筋。尤其是对于住宅中厚度为200的剪力墙来说，与剪力墙垂直相交的框架梁的水平段锚固长度便受到约束，采用较细的负弯矩钢筋组合，有二者皆顾的效果。钢筋连接尽量选用机械连接或焊接，比搭接时比较节省钢筋．机械连接可用直螺纹连接。

（3）基于现行规范和计算程序，较为可行的方法为梁配筋满足计算要求即可，没有必要超配，若有充分依据，并考虑板内与梁平行钢筋的贡献，可适当减少梁配筋。从节约的角度，架力筋即顶部通长钢筋可以选择直径较小的钢筋与支座钢筋搭接(受力需要设置通长钢筋例外)，梁的架力筋要求，抗震规范[5]第6.3.4条有明确规定，按此执行即可。设置架力筋有一个好处，就是由于梁端每个支座均通过架力筋搭接，每个梁支座配筋可根据计算需要设计不同钢筋直径和根数，而不必要兼顾通长钢筋的配置。以往梁顶部通长钢筋的做法是为了减少钢筋规格，便于施工，但无论是实际受力还是震害调查结果显示，梁上部设计较大规格的通长钢筋大部分是没有必要的。该项措施的实施可大大节约含钢量。

5.3板

(1)合理控制现浇板的厚度。在满足最小板厚及地方标准的前提下，合理的控制裂缝及温度应力。

(2)板配筋采用三级钢，Φ8@200双层双向打底，另外附加的模式相对施工方便，又节约造价。

(3)合理选择楼板的混凝土强度等级，强度等级低则构造配筋就小，反之则大。

(4) 楼板的配筋应以Ⅱ、Ⅲ钢筋为主。由于地区差异，一些地区仍旧采用Ⅰ级钢筋作为楼板钢筋，由于强度低，往往由配筋率起控制作用，不经济。另外，尚需注意一些地方规范的特殊要求，例如：江苏省[6]规定：对住宅类建筑，为防止出现混凝土结构裂缝，建筑物两端开间及变形缝两侧的现浇板应设置双层双向钢筋，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于100mm。

(5) 楼板的配筋与板跨、梁的平面布置形式和荷载等因素密切相关，针对具体的需要，设计合理的梁平面布置，使得楼板厚度和配筋处于一个合理的范围是设计应做的。一般住宅类剪力墙结构，板跨的划分多由房间布置决定，结构可调整的余地不大。对一些较大面积、柱网较为整齐的裙房和地下车库(柱网尺寸8m左右)等，应多方案比较梁布置的合理性。一般对类似车库功能的楼层，且无太多房间布置的情况，可考虑在一个方向通长布置两道次梁的单向板作为优选方案之一。而对于裙房有较多房间划分，设置双向双道次梁的双向板更利于主、次梁配合建筑的灵活布置。对覆土较厚的地下室顶板，有时尚需考虑消防车荷载的情况，仍旧建议以双向板为宜，便于荷载的多向传递，减少各道梁承担的荷载。

结论

总之，在确保结构方案尽可能合理的前提下，再对各结构构件进行精细化设计，结构用钢量应该可以控制在一个较为合理的范围内。工程中要配合得当，而且做到结构合理，经济适用，结构还是要尽早的介入，一些方案主创们也许是可左可右的东西，或许对我们结构却有截然不同的效果，比如：分缝后的结果是嵌固后简单，还是无法嵌固反而变成了多塔?另如，一些造成结构超限的东西，是否可以避免等等。合适的结构体系，合理的结构布置方案，以及建筑物合适的刚度，都对计算的钢筋量有很大的影响，设计师可以从这些方面入手进行节约，当然钢筋的配置方式也有一定的讲究。但综上所述，省钢筋这项工作是一件可操作的事情。只要肯用心去做，肯定是有效果的。