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浅谈降低结构钢筋含钢量的方法
作者：阙光奇
来源：《沿海企业与科技》2008年第06期
[摘要]文章探讨结构设计工程师在面对“限额设计”的要求时，在满足规范要求的前提下降低结构钢筋含钢量的一些方法。
[关键词]结构钢筋；含钢量；限额设计；结构布置；构件设计
[中图分类号]TU511.3+2 [文献标识码]A [文章编号]1007－7723(2008)06－0059－0002 为了提高在竞争激烈的设计市场中的竞争力，响应国家建设节能、节约型社会的要求，“限额设计”这个课题不可避免地摆在结构设计工程师的面前。所谓“限额设计”就是按批准的投资估算控制初步设计，按批准的初步设计总概算控制施工图设计。即将上阶段设计审定的投资额和工程量先行分解到各专业，然后再分解到各单位工程和分部工程。各专业在保证使用功能的前提下，按分配的投资额控制设计，严格控制技术设计和施工图设计的不合理变更，以保证总投资额不被突破。反映到结构设计就是如何控制结构的含钢量。如何让甲方觉得设计的建筑产品既漂亮又省钱，物超所值；如何以较少的材料去完成建筑物各种功能的要求已成为结构设计工程师的重要职责之一。笔者在以往的结构设计中对如何降低结构用钢量总结出一些方法，并进行了一些尝试、提出一些观点，在这里与大家一起探讨如何更好地使结构钢筋用量在满足规范要求的前提下尽量减少。 一、方案设计
在方案设计阶段，结构设计工程师应尽早参与到方案设计中去，实际上就是从结构专业的角度与建筑设计人员和甲方进行沟通、交流。从方案设计开始就要在平面布置、立面造型、柱网尺寸等方面提出结构设计工程师的建议和要求，以求在后期的施工图设计中为降低结构用钢量掌握主动权。这就需要结构设计工程师在积累设计经验的同时要注意培养沟通、说服的能力。方案设计应该控制以下要点： (一)建筑平面布置上力求方正
尽量避免出现平面不规则，这就可以少布置或不需要布置抗扭构件来降低钢筋的使用量；控制平面长宽比。平面长宽比较大的建筑物，由于两主轴方向的整体刚度相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均。增加钢筋用量。房间(板块)分隔不要相差太大，相邻板块相差越大会导致计算负筋增大。 (二)建筑物的体型规整
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结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化，层高相差不要太大，避免因为层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件，从而提高钢筋用量。
(三)立面上尽量少作一些通过钢筋累积起来的复杂构架、外凸较大的线条大样等对抗震及提高承载力没有任何帮助而只会提高钢筋用量的构件
建议建筑通过配色或者简约的线条来实现建筑物的美观。或者通过设计一些二次装修的玻璃幕墙、玻璃顶棚、钢结构网架来完善建筑的功能和保持造型的新颖。 二、结构布置 (一)结构选型
应根据建筑平面布置、竖向布置和使用功能要求合理选择结构体系。笔者比较过某工程采用一托一的框架托层结构的用钢量比采用二层的框架结构要大，这是因为针对框架托层结构的底框部分《建筑抗震设计规范》规定有许多的构造要求及计算要求，而上面只是托一层的砖混结构，相对来说做框架托层的经济性就不如做两层框架。由此可见，合理的结构体系对后期的施工图设计减少钢筋的用钢量有很大的帮助。 (二)柱网尺寸布置要合理
柱网大则楼盖用钢量增多，柱网小则柱子构件的用钢量增加，这需要结构工程师根据建筑的实际情况和经验合理布置柱网。柱网尺寸要均匀，可以使柱、梁、板构件的受力合理，从而降低构件的用钢量。
(三)抗侧力构件的位置要合理
抗侧力构件应布置在结构的周边位置，并尽量使结构的刚度中心与质量中心相靠近。这样可以减少抗侧力构件的数量和结构的抗扭效应，可以使整体结构的用钢量降下来。 (四)梁布置时不必每幅墙下都布置梁
有时一些小板块上的隔墙，即使把隔墙荷载等效为板面荷载，其计算结果也是构造配筋。当板跨小、布梁多时使用钢量肯定会增多，而且可能使楼面荷载多次传递，造成受力不合理。 三、构件设计
当我们不能通过个人魅力来说服建筑设计师和甲方从方案设计方面来实现降低钢筋含量的目的时，只能抠一点，即在施工图设计阶段通过精打细算来实现控制用钢量的目标。下面就浅谈一下在规范允许的范围内降低结构设计中钢筋含量的一些可行的方法。
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(一)板
1.按《混凝土结构设计规范》5.3.1与5.3.2条规定，板块可以使用塑性理论来计算，同时应满足正常使用极限状态的要求或采取有效措施。根据笔者运用PKPM软件对板配筋结果对比显示，双向板用塑性理论计算得到的配筋结果比用弹性理论计算得到的配筋结果少30％左右。至于大家担心使用塑性理论计算降低配筋后会对板块的裂缝产生不利影响的问题，在这里引用中国建筑科学研究院主编的《混凝土结构设计规范算例》一书第191页的一段话：“在民用建筑中，楼层的现浇楼板，大多数为双向板。其计算方法，主要有弹性方法及塑性方法两种。北京市建筑设计研究院习惯采用塑性方法计算，至今已有50年历史，尚未发现有因按塑性方法设计而发生安全问题。至于近来常发现的楼板裂缝问题，原因众多，建筑材料、施工方法等等，皆可能导致楼板开裂。我们认为，计算方法不是楼板裂缝的原因。”所以，笔者在一些非住宅工程中尝试采用塑性理论计算板的配筋，然后根据建筑不同使用功能进行一些适当的调整。工程实践证明，即使采用塑性理论对板进行计算，并没有出现因按塑性方法设计而发生裂缝等安全问题。
2.现浇板应做成双向板，双向板相对单向板要经济。按PKPM计算模型板边跨采用简支计算，配筋结构为0，即构造配筋，按《混凝土结构设计规范》10.1.7条可以布置φ8@200的构造钢筋，而不是采用最小配筋率得到的配筋。PKPM成图也是如此，单向板非受力边亦需要配置φ8@200的构造钢筋，造成浪费，这样也可以节约一点板的钢筋用量。
3.合理控制现浇板的厚度。在满足最小板厚的前提下，现浇板厚度的取值应使板的配筋由内力控制而非构造配筋，对于由于板厚小而板中穿管线可能会出现现浇板裂缝的问题，可以通过构造措施和水电专业的配合来减少其负面影响。
4.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。 (二)梁
1.梁计算参数的取值上弯矩放大系数及配筋放大系数取1.0，楼面本身荷载和梁荷均已经乘以大于1的分项系数，梁计算中即使不放大也已经存在安全储备，没有必要再对弯矩放大系数及配筋放大系数进行放大；在后期施工图设计时再针对薄弱的部分比如悬挑梁等进行适当的放大，提高其安全储备。
2.梁的归并系数要取小，否则通过归并后虽然减少了结构的工作量，但梁配筋就会增加。 3.依据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.3.4条计算时考虑梁柱节点刚域作用，可以降低梁的配筋1－2。
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4.砖混结构的悬挑梁锚固段箍筋不加密也可以节省悬挑梁近1／3的箍筋。悬挑梁的负筋没有必要通长设置，只要伸人墙内的锚固段满足规范要求的锚固长度即可，里面就可以采用构造配置顶面钢筋。
5.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面及梁底的配筋量，但箍筋量也有所增加。依据《建筑抗震设计规范》6.3.3.3条规定，尽量避免梁端纵向受拉钢筋配筋率>2％，从而造成箍筋用量增加。 (三)柱、墙
1.柱墙部分要减小柱子和墙的刚度，可以降低吸收的地震力，减少配筋。结构设计的具体操作就是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，在满足上下刚度比与位移比的前提下缩小柱截面。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按规范规定的最小配筋率配置。
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。 (四)基础
基础是结构中最重要的部分，基础造价占整个工程造价很大一部分，基础的节省将对整个工程造价的多少起到决定性的作用。基础设计的灵活性很大，关键是合理选择基础形式。这些需要结构设计工程师在平时设计工作中注意进行基础对比和经验总结。有条件做天然基础的就不必做深基础。 四、结语
