钢结构的用钢量估算

结构设计中常需要对钢结构与混凝土结构进行经济分析，有什么规律可循?

钢结构房屋中楼面结构与抗侧力结构的用钢量之间存在一定的比例关系，结构方案阶段时，对非抗震结构可按图5. 1.4-1确定用钢量。抗震结构的用钢量应根据设防裂度、场地条件及结构形式等具体情况确定，一般为非抗震结构的1.5~2倍，大致与钢筋混凝土结构的钢筋用量相当。

[问题分析]

1.图5.1.4-1为国外钢结构工程的用钢量统计结果，从中可以看出以下几点:

1)楼面结构的用钢量受房屋高度的影响不大，一般为33kg/m。

2)承重柱的用钢量与房屋层数(高度)成正比，但几乎成等比例关系。

3)房屋层数对支撑结构的用钢量影响较大，房屋越高，用钢量越大，表现为明显的非线性增大关系。

4)结构总用钢量与结构体系有关，如当为框架支撑结构时，其总用钢量为楼面结构与承重柱及支撑系统的总和。相对于不同层数的房屋，其用钢量的大致关系见表5.1.4-1。

2.随着科研水平的不断提高、设计经验的逐步丰富，国外高层建筑钢结构的用钢量近期工程低于早期工程。有钢材强度提高的原因以及结构体系不断改进的因素，还有轻型建筑材料的使用等多方面原因。

3.建筑平面形状(对高层建筑及超高层建筑，纵横两个方向的平面尺寸越接近，结构的经济性越好，平面长宽比越大，结构的费用越高)、结构体系等对结构用钢量影响很大，合理的建筑平面和结构布置是节约工程造价的基础，高层、超高层建筑应特别注意结构的规则性问题。多层结构的平面变化、荷载差异较大，用钢量变化也大，图5.1.4-1仅做参考。

4.国内超高层钢结构设计尚处在起步和摸索阶段，用钢量的多少还与设计者的技术水平直接相关。

5.钢结构造价及综合经济效益

1)抗震性能优于钢筋混凝土结构

相对于钢筋混凝土而言，钢材基本上属于各向同性材料，抗压、抗拉和抗剪强度都很高，更重要的是它具有很好的延性。在地震作用下，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力。

2)减轻结构自重，降低地基基础费用

钢筋混凝土高层建筑，当采用框架-剪力墙结构和框架简体结构，外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质隔墙时，包括楼层活荷载在内的上部建筑结构全部重量约为15~17kN/m。其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约10~12kN/m。相同条件下采用钢结构时，全部重量约为10~12kN/m。其中钢结构和混凝土楼板的结构自重约5~6kN/m。可见两类结构的自重比例约为2:1，全部重量的比值约为1.5:1,也就是说，75层高的钢结构高层建筑的地上部分重量只相当于50层高的钢筋混凝土结构的重量，荷载减小很多，相应的地震作用也大为减小，基础荷载明显减小，大大降低了基础及地基的技术处理难度，减小了地基处理及基础的费用。

3)减少结构所占的面积

对于地震区30~40层的钢筋混凝土结构的高层建筑，为满足柱子轴压比的限值要求，其截面尺寸有可能达1.8m×1.8m~2.0m×2.0m,为满足结构的侧向刚度及层间位移要求，核心简在底部的墙厚也将达0.6~0.8m，这两项结构面积约为建筑面积的7%。若采用钢结构，柱截面面积大为减小，核心简采用钢柱及钢支撑时，包括外装修的做法，其厚度仍比钢筋混凝土核心筒的墙厚薄很多，相应结构面积--般约为建筑面积的3%，比钢筋混凝土结构减少4%，这将产生不小的经济效益。

4)施工周期短

钢结构构件在工厂制作，然后在现场安装，一般不需要大量的脚手架，同时采用压型钢板作为钢筋混凝土楼板的永久性模板。混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行。而钢筋混凝土结构除钢筋可在工厂(或现场)下料外，其余大量的支模、钢筋绑扎和混凝土浇筑等均需在现场进行。因此，一般情况下，只要施工组织得当，高层钢结构的施工速度要快于钢筋混凝土结构20%~30%，相应的施工周期也缩短，可使投资得以早日回报。

5)钢结构的造价要高于同高度的钢筋混凝土结构

不包括基础及地下室构件在内，上部高层钢结构的造价一般为同样高度钢筋混凝土结构造价的1.5~2.0倍，从而增加了，上部结构的直接投资。钢结构的造价一般包括三部分:即钢材费用、制作安装费用和防火涂料费用，这三者的大致关系如下:钢结构的造价=钢材费用(占45%) +制作安装费用(占35%)+防火涂料费用(占20%)实际工程中钢结构的用钢量虽然大于钢筋混凝土结构的用钢量，但这不是两种结构差价的主要原因，其主要原因在于防火涂料费用所占比例较高，以及钢结构的制作安装技术含量较高，相应的劳务费用较高。而钢结构的制作安装费用及防火费用均与钢结构的用钢量有关，因此，节省用钢量对降低工程造价意义重大。

6)上部结构造价与全工程造价的比例关系

全部工程的造价除包括上部钢结构外还包括对工程造价影响较大的基础和地下室造价。基础造价与地基条件有很大的关系，软土地基时对高层建筑一般需采用桩基，因而基础费用较高。对一般高层建筑，上部钢结构的造价约为全部结构造价的60%~70%。工程造价除包括结构造价外还包含费用相对很高的建筑装饰及电梯、机电设备等费用，粗略估算，一般全部结构造价约为工程总造价的20%~30%，相应的上部钢结构的造价约为工程造价的15%~20%。

7)采用钢结构的综合经济效益由以.上分析可知:上部钢结构的造价约为工程造价的15%~20%。而一般工程造价约为工程总投资(包括拆迁、购地及市政增容费用等)的50%~70%，相应地上部结构的造价约为工程总投资的8%~15%。因此钢结构与钢筋混凝土结构之间的差价约为工程总投资的3%~7%。这种差价常可由于采用钢结构后，因自重减轻而降低地基处理及基础造价、增加建筑使用面积和缩短施工周期等得到相当程度的弥补，从而提高工程的综合经济效益。

8)钢结构的耐火性能差

钢结构不耐火，在火灾烈焰下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度的上升而急剧下降。当钢材温度超过300℃时，其强度降低而塑性增加，至750℃时，结构完全丧失承载能力(图5.1.4-2)，变形迅速增加，导致结构倒塌。因此，《高钢规程》规定对钢结构中的梁、柱、支撑及作承重作用的压型钢板等要喷涂防火涂料加以保护。

9)吸取震害经验教训完善钢结构设计

由于地震的随机性和实际工程的复杂性，难以避免结构平面和剖面的不规则，以及沿竖向刚度和强度突变的结构方案，存在结构的薄弱层和遭受破坏的可能性。钢结构虽有较好的延性，但还难以避免连接节点的开裂、支撑的压屈，及柱子脆性断裂等震害。因此需再逐步完善钢结构设计。

10)钢材的供应

目前国内生产的符合设计规范要求的厚钢板仍需改进和研发，H型钢虽已生产，但规格还不齐全，供应还需适应小批量的要求。因此，设计过程中需要为落实钢材供应作深人的调查研究，必要时要考虑采用进口钢材的可能性并落实供应条件，使结构方案和所采用的钢材得到落实。