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为什么在框架结构体系中柱的混凝土强度等级比梁高?
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问题时间:Oct 29, 2015,[ 共6条回复]
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简单按底部剪力法和反弯点法来理解,每层的地震剪力由框架柱承担,由地震剪力和反弯点位置可以确定柱端弯矩,每个梁柱节点处,上柱柱底和下柱柱顶的弯矩是不平衡的,这个不平衡弯矩由该节点的框架梁承担,这也就是所谓的“框架”作用。
在地震作用下,每层承受的层水平力,从下往上依次增加。累计起来的地震剪力,则是从上往下依次递增。因此,一般而言,顶层的梁柱受力最小,底层的梁柱受力最大。
近似来看,各层框架梁的受力情况是这样的。在水平荷载作用下,底层受力最大,顶层最小;而在竖向荷载作用下,各层基本相同。总体来看,各层框架梁的差异不大。对于地震力较大的框架,可能底部的框架梁需要提高混凝土强度等级,而对于地震力比较小的框架,可能从上往下框架梁都用C30也就足够了。
而框架柱的情况则完全不同。水平荷载作用下,底层受力最大,顶层最小;而竖向荷载作用下,同样是底层受力最大,顶层最小。也就是说,底部几层的框架柱承受着竖向荷载引起的最大的轴力和水平荷载引起的最大的弯矩。因此,这个部位的框架柱必须要加强。
实际设计中,需要用轴压比这个概念来控制框架柱的设计。也就是说,框架柱实际承受的竖向轴压力与它的混凝土部分理论上可以承受的最大轴压力的比值。各个抗震等级的框架柱的轴压比都有严格的限值。之所以要控制轴压比,让柱子承受的轴压力远远小于它可以承受的轴压力,就是让它留有充足的余量,保证足够的延性,进而保证它在水平荷载作用下有较好的表现。
其实这个也很好理解,柱子从上到下,肯定是越往下承受的荷载越大,所以底下的柱子应该比上面的结实。有两个方法可以让下面的柱子比上面的结实。其一是扩大截面,就是强度不变,让底下的柱子比上面的柱子粗大,所以就结实了。其二则是提高强度等级,截面不变,粗细都一样,但是底下的柱子强度比上面的柱子要高,所以也变结实了。扩大截面的缺点很多,建筑布局会受到影响,而且建筑实用面积会减少。此外,截面扩大后结构抗侧刚度会提高,继而会吸收更多的地震力,形成恶性循环,“面多了加水,水多了加面”,非常不合理。提高混凝土强度等级则没有这些缺点,在不扩大截面尺寸、不改变结构刚度的前提下,比较方便的就能够满足轴压比的要求。每一层的建筑布局也能够保持一致。而且,提高混凝土强度等级,对经济性的影响很小,高强度等级的混凝土比低强度等级的价钱贵不了多少。因此,这也是最常用的方法。
并不是所有框架柱混凝土强度等级都大于跟它相连的框架梁的,简单说,只要框架柱能够满足轴压比即可,混凝土强度等级太高了也没必要。梁C30,柱如果C30也能满足轴压比的要求的话,那就梁柱都C30就可以。“强柱弱梁”说的是实际承载力,跟截面尺寸、配筋大小直接相关,与混凝土强度等级关系不大。Mbua的计算公式中,根本没有混凝土强度等级这一项。
回答时间:Oct 29, 2015 回答者:
zcjk
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回答时间:Oct 29, 2015 |
回答者:wfthfm
浏览了所有答案,感觉都没有直指要害。
强柱弱梁是大家最直接的反应,但真的是这样吗?强柱弱梁是通过混凝土等级来设置的吗?
如果这样,可以试算一个例子,如果梁体采用C40时,做到强柱弱梁,那么将C40混凝土改成C60,是不是强柱弱梁就不满足了?这个问题实际是结构设计原理的基本概念,哪些因素对梁的抗弯承载能力影响大?
沈蒲生的《混凝土结构设计原理》中有这么一个习题,其他条件不变,改变混凝土的强度等级,计算抗弯承载能力。我也每次上到这里,总是让学生分析上面提出的,哪些因素影响大的问题。学生各种方法都有,数学弱点的,用数值验证,数学好点的,用解析方法,直接求敏感性证明。
下面简单看看混凝土强度到底影响大不大,(手机输入,可能符号不准确,凑合着看)Mu=fyAs(h0-x0/2)从上式看,M的表达式中与混凝土强度等级有关的量只有x0,而通常配置的适筋梁的x0与h0比是个小量。而提高一两个混凝土强度等级x0的变化,对Mu的影响实在有限。
分析到这里,答案就呼之欲出了,对于受弯为主的梁结构,提高混凝土强度等级对于承载能力提高影响不大或者说用改变混凝土强度等级的方法来提高抗弯承载能力很不经济。而柱子是个偏压构件,故柱子用较高的混凝土强度等级有意义。
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简单答几点:
结构体系方面:
1、水平荷载下,柱子也是要承受剪力的。
2、梁刚度过大,对抗震不利:自振周期小,地震力大。
3、框架结构用于中低层建筑,竖向荷载起控制作用。
4、强柱弱梁也是一点。
混凝土配筋方面:1、提高等级,减少柱截面积。2、而梁是混凝土和钢筋协同工作,对抗弯作用不大:受拉区不考虑混凝土作用,受压区混凝土强度不够就用钢筋补上。3、梁混凝土等级高,容易收缩开裂。
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强柱弱梁强柱弱梁
(strong column and weak beam)指的是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求。用以提高结构的变形能力,防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段,也是目的,其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大,对梁不放大。其目的表现在调整后,柱的抗弯能力比之前强了,而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时,梁端可以先于柱屈服。
摘自百度百科。
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出于对框架结构的抗震设计,抗震区建筑要实现“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准设防目标,设计时应使得强柱弱梁、强剪弱弯,强节点强锚固,就是说在经过弹性理论计算出框架内力后,对其进行内力调整,放大柱的内力,以保证遭遇罕遇地震时。梁端首先出现塑性铰,发生转动变形,吸收足够的地震能,地震持续很短,建筑物就不至倒塌。而加强柱砼等级,在节点处多配箍筋等。。则是通过内力设计构件后所得出的手段了。。
ps:水平地震作用,最终通过传递,给了柱子来承担,竖向抗侧力构件就是它了,所以说框架结构中最重要的构件就是柱了,你想想是梁先破坏好,还是柱先破坏好呢?
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回答时间:Oct 29, 2015 |
回答者:RuiHai
大家都背过"强柱弱梁,强剪弱弯,强锚固,强节点"吧。
正如百度百科词条所说,使梁先于柱屈服。
若梁太强,在构件进入塑性工作状态时,会把柱子翘裂,使柱子出现塑性铰,这颇危险。
而我们希望塑性铰出现在梁端,这样相对来说不容易影响整体。
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回答时间:Oct 29, 2015 |
回答者:TianLi
首先柱子在结构体系中的作用,就不再说了,上面说的很清楚,抗震中提到的强柱弱梁讲到了,地震中柱子破坏造成伤害是很大的,因此柱子是很重要的构件。再从承载力角度说,柱子承受的荷载是较大的,
第一,上部结构的大部分竖向荷载都要传到柱子上;
第二,水平风荷载,地震作用也会在柱子上产生较大的弯矩。
因此,从承载力角度看,柱子不仅要承受较大的轴向力还要承受较大的弯矩。但是,从抗弯的角度来看,单纯提高混凝土或钢筋等级对抗弯能力的增加是极其有限的,因此,从柱子承受弯矩的方面看,我并不认为这和柱子混凝土等级较高有直接联系。柱子混凝土等级较高我认为主要是考虑对竖向承载力的较大贡献,以便于更好承受很大的轴力。