结构材料的性价比

在大跨、高层民用建筑中，经常用到钢结构，钢与混凝土的材料性能和价格的对比问题常常被设计师忽略。在两种材料都能采用的前提下，用哪种材料更合适？

再考虑材料的性能。以C30混凝土和HRB400钢材为例，C30混凝土抗压强度设计值为14.3N/mm ² ，HRB400的抗压强度设计值为360N/mm ² ，则钢筋的抗压强度约为混凝土的25倍。因此，仅考虑强度的情况下，钢筋用于受压的性价比约为混凝土的1/3。

再考虑受拉的情况，仍以C30混凝土和HRB400钢材为例，C30混凝土抗拉强度设计值为1.43N/mm ² ，HRB400的抗拉强度设计值为360N/mm ² ，则钢筋的抗拉强度约为混凝土的250倍。因此，仅考虑强度的情况下，钢筋用于受拉的性价比约为混凝土的3.5倍。

从这里可以看出，受压构件和构件的受压区使用混凝土更经济，受拉构件和构件的受拉区使用钢材更经济。

抗压刚度方面，考虑材料的弹性模量，钢材的弹模为2x10 ⁵ MPa，C30混凝土的弹性模量为3x10 ⁴ MPa，两者之比约为7：1，结合上述的单位体积价格比，混凝土的性价比仍有优势。 因此，部分项目在初设时，钢筋混凝土结构的经济性会占有优势。

受弯方面，建立从模型参数到造价的数学表达式，假设简支梁梁高和梁宽分别为h、b，配筋面积为A _s ，钢筋强度为f _y ，弯矩设计值为M，则有M=0.87f _y A _s h（近似）。再假设钢筋和混凝土的体积单价分别为p _s 和p _c （注意钢筋用的是体积单价），则简支梁单位长度的价格为p=p _s A _s +p _c bh（近似）。 进一步地可以推导出，对于某一确定的M，当A _s /bh=p _c /p _s 时，也就是截面上钢筋的总价等于混凝土的总价时，两者总价最低。

同样是钢材，用于强度控制的构件和用于刚度控制的构件又有不同。如厂房的柱、屋架以及框架的梁、柱采用Q345，虽然价格比Q235的高约5%-8%，但强度却提高了40%；相反，檩条、支撑等刚度控制的构件，选择Q235更加经济。

（本图取自《结构设计概念体系》）

选择材料时，需要考虑其价格与强度或刚度的相对关系，才能得出经济合理的结论。 作为一名结构工程师，不仅要用怀疑的眼光看待所谓的经验、习惯做法，还要努力寻求结构与成本之间的关系和规律。

本文部分观点参考《寻绿》。