为什么在框架结构体系中柱的混凝土强度等级比梁高?

发表于2019-03-28     707人浏览     1人跟帖     总热度:61  



竖向荷载的确是由框架柱来承担,但是水平荷载事实上也是由框架柱来承担的。想象一下,你和朋友面对面站好,手臂伸直,互相推对方,脚不能动,看谁先把谁推倒。为了保证自己不被推倒,胳膊再强壮有用吗?事实上,起作用的是腰部和腿部力量。

再想象一下你站在公交车上,没有抓栏杆,公交车突然刹车。为了不被惯性晃倒,是你的胳膊在用力还是腿在用力?

框架结构也是一样,框架柱是腿,框架梁是胳膊。为了不被地震推倒,所有的地震剪力都要由框架柱来承担。

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。

举例来说,一个比较高的框架结构,梁板柱混凝土等级很可能会是这样的:

底部几层   柱C50   梁C40   板C30
中间几层   柱C40   梁C30   板C30
顶部几层   柱C30   梁C30   板C30

而一个普通的框架结构,梁板柱混凝土等级则可能是这样的:

底部几层   柱C40   梁C30   板C30
顶部几层   柱C30   梁C30   板C30

如果是一个两三层的框架结构,那就更简单了,梁板柱统统C30就行了。


来自:猪小宝

来源:结构    微信公众号    建筑施工

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 发表于2019-03-31   |  只看该作者       筑龙币+20

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之所以要在框架结构设计中控制轴压比,就是让框架柱子承受的轴压力远远小于它可以承受的理论轴压力,就是让它留有充足的余量,保证足够的延展性,进而保证它在水平荷载作用下有较好承压的表现。

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