“强梁弱柱”与应力分流

打印|推荐|订阅|收藏“强梁弱柱”与应力分流7f4e7dd3bjdtm2001积分1794帖子931#12011-8-913:51最近去听新规范讲座，专家在讲到“强柱弱梁”这块内容时都感慨颇深，提到2008年汶川地震的震害。我也觉得有继续思考的必要，把这个沉了多年的问题再搬出来和大家探讨探讨。主要是联系了一些生活经验，想到了一些新观点，大家看看给拍拍砖。“强梁弱柱”，一方面是我们在设计时没考虑楼板钢筋或者按T形截面计算却按矩形截面设计把梁的配筋和极限承载力搞大了。这里不具体展开了。这里主要想探讨的是一个二维楼盖结构动力的影响因素。根据生活经验，如果在梁上盖了一块板，然后去晃它，你会发现这个体系的刚度是很大的，其受力特点是很微妙的。再类比我们的结构，柱传给梁内力产生的应力流被楼板吸收传递分解掉。个人认为，应力流被楼板吸收分流是导致“强梁弱柱”破坏机制的主要原因。其它因素的原因肯定多多少少都有影响，但不是最主要的。快速动力荷载作用下，一维杆件（梁、柱）的受力问题我们研究的比较成熟，然而二维构件（楼板、墙）的受力问题可能还存在一些我们未认识充分的地方。为了说明上述应力流分散的原理，我举一个可能不太贴切的生活例子：打网球时候，网球的速度是非常快的，然而只要它触碰到球场中央的球网，会发生什么现象？球速在很短时间内降低到零。而此时的球网只是发生了一些晃动，不久就静止下来。那么，网球的动能跑到哪里去了呢？显然是被球网吸收掉了，但为何球网很快也静止下来了呢？原因就在于网球冲击产生的振动在球网平面内以二维波的形式扩散掉了，球网材料的阻尼比较大，因此波动产生的能量很快就被耗散掉了。用这个例子来类比柱子和楼盖的关系，在地震快速加载下，柱子传递来的内力对于二维楼盖结构而言就类似于“网球”的冲击力，而楼板就类似于“球网”。大家可以体会一下会发生什么情况。当然，土木材料的刚度是很大的，网球这个例子来类比可能不是很准确，但这说明了一个有趣的动力学现象。我也不知道该怎么称呼这种现象，就简称应力流分散吧。如果这种现象确实存在而且是导致“强梁弱柱”的主要原因，那么将导出一个令人难以接受的推论：楼板越薄、梁刚度越小，“强梁弱柱”现象越显著。这是因为柔性楼盖结构的振动耗能显然比刚性楼盖大得多，再类比网球的那个例子，球网越柔，不是越有利于降低球速吗？刚性的球网，网球碰到后就反弹回来了。说到底，还是一个动力学的问题，二维构件的动力学问题还有很多值得深究的地方。我总感觉，动力学问题和静力学问题有很多不同的地方，动力学可以统一静力学，但静力学的结论不一定能普遍适用于动力学。欢迎有兴趣的朋友看看，特别是这个生活中的动力学物理现象，能否联系到我们实际土木结构中?bjdtm2001修改于2011-08-0913:57ywluck积分382帖子1#22011-8-915:42可以知道，楼主是一个善于思考的人，但是对于这个结论“...楼板越薄、梁刚度越小，“强梁弱柱”现象越显著。...”本人持有不同意见。这可能与你的比喻有所不恰当所致。观点如下：1、地震作用水平侧向的，基本是与楼板方向是平行的，当然这里不考虑竖向地震作用；而网球对球拍的作用是垂直球拍平面的，二者进行类比显然是不正确的，从而导致错误结论。2、楼板薄的话，或者说刚度小的话，结构的变形能力会大（适筋构件，延性破坏情况），但是如果太薄的话，结构的变形就太大了，往往就不可接受了。早上上个世纪初，日本的一些研究学者就有过“柔度法”和“刚度法”的争论。个人感觉把握好其中的一个“度”才是最佳的做法，其实规范的做法就是一个“度”的很好体现，既有强度的计算，又有延性的保证。66bjdtm2001积分1794帖子931#32011-8-1010:30感谢YWLuck的热心探讨，你说的两点都很有道理。可能是我没表达清楚的缘故，这里补充说明一些：强梁弱柱震害的一个非常关键现象在于柱端压溃而梁端没有裂缝。梁端为何没有裂缝？需要一个合理的解释。节点弯矩平衡，柱端有多大弯矩，梁端就要有多大。这是最基本的力学原理。梁端没有裂缝，说明梁端的开裂弯矩要远大于柱端的极限弯矩。梁一直处于弹性状态。这个现象非常重要，可以说是问题的关键所在！原因只能在于整浇楼盖的作用。那究竟是什么作用未被我们认识。静力上，整浇楼板对框架梁巨大的卸荷和增强作用是明显的（傅学怡老师很早以前发表过的论文），一方面柱端传递来的弯矩产生的应力流有相当部分被楼板吸收分流，梁实际分配到的弯矩只有60%左右。另一方面，梁的承载力得到了楼板的极大增强。考虑楼盖空间体系的作用，增强作用将更加明显！强梁弱柱现象在全世界范围都发生过，包括美国等抗震发达国家。整浇楼盖的效应还有更多我们未认识到的地方。其中就包括动力方面的振动现象。楼板二维平面振动波的传递可能导致卸荷效应更加显著。当然，这需要试验来分析。上面帖子的例子可能不贴切，但主要为了说明存在这样一种动力学现象。欢迎继续探讨，不对之处欢迎批评指正。结构工程已全面进入软件时代，结构工程师应该从繁琐的重复劳动中解脱出来，更加注重结构概念和体系，培养结构整体思维。bjdtm2001#42011-8-1714:35有时总感觉自己对“强梁弱柱”问题讲得太罗嗦了，写了一堆东西，不如用一两句话来总结自己对这个问题的理解吧：一句话结论：整浇楼盖要实现“强柱弱梁”、梁铰机制十分困难。事物都是两面性的，预制楼板的整体性差，其抗震性能大家都有目共睹了。现在，现浇板的整体性好了，但又导致了一个麻烦的问题——强柱弱梁的设计理念难以得以实现。如果硬要在整浇楼盖体系内实现强柱弱梁的话，我估计代价会很大（例如，把柱弯矩放大系数要提高到惊人水平，加大柱子截面和配筋等等，这些还一定能够保证塑性铰优先出现在梁端，特别是在地震这样的复杂动力作用下）。积分1794帖子931如果整浇楼盖强柱弱梁难以实现，那这下问题就闹大了：我们做抗震弹塑性分析都是假定梁端先出现塑性铰，然后在建立在这个假定的基础上进行一系列分析。如果整浇楼盖偏偏“阻挠”了我们的这个基本假定的合理性，使得我们的这个基本假定在实际情况下不能或者说很难实现，那真得要糟糕了，我们花了大量心血得来的理论体系，偏偏在这个基本假定上出了问题，那后果会怎么样？我不敢想象了。。这个问题还有待研究，希望能早日看到这方面的新研究成果。斗胆妄言，希望大家批评指正。代号农民工积分10帖子16#52011-9-2323:11是不是强节点强锚固没做好？或者可以以柔克刚，在柱端加个阻尼器的lugy234#62011-9-2407:33感觉要是真实现计算简化机制对于整浇楼盖的梁铰机制十分困难，因此对于大震下楼的动力学行为机制仍需要深入的探讨研究积分20帖子19bjdtm2001积分1794帖子931#72011-9-2419:38lugy234wrote:感觉要是真实现计算简化机制对于整浇楼盖的梁铰机制十分困难，因此对于大震下楼的动力学行为机制仍需要深入的探讨研究最近粗略查阅了些2008年汶川地震以来关于“强梁弱柱”方面的论文。观点非常多，不少专家学者也进行了深入的研究，包括数值方面的、实验室试验的，不少论文提出了产生强梁弱柱的新观点。传统的统一的认识还是是整浇楼板对梁承载力和刚度的增强作用。但究竟能增强多少，我还没用见到非常详细深入的研究文献。上世纪90年代时候有学者研究过这个问题，结论是板内分布钢筋对梁承载力提高在30%左右，看来确实是非常大的。还有关于梁柱线刚度比对屈服机制的研究；双向地震对梁柱屈服机制的研究；考虑板内分布钢筋参与梁端承载力设计方法的研究等等。应该说，研究资料是十分丰富的。可惜的是，还未见到关于整浇楼盖空间工作性能试验方面的研究，特别是振动台试验的研究文献。个人认为是一个遗憾。现在关键问题已经明确是整浇楼板的作用，因此研究的重点就应该是楼盖体系的空间工作性能。我觉得应该有必要知道以下几个问题的答案：（1）构件上看，在静力层次，整浇楼板及分布钢筋究竟对梁的承载力和刚度有多大影响？需要一个定量的结论。（2）整浇楼板作为梁翼缘的宽度，个人认为有必要修正。原先规范给出的有效宽度有待进一步验证。特别是考该楼盖空间工作性能后，这个有效宽度是否还成立。（3）结构层次上，特别是在动力荷载作用下，楼板、框架梁、框架柱的内力/应力分布究竟是怎样的？在模拟地震振动台上进行试验，梁、板内的钢筋的应力状态究竟如何？进入屈服了没有？从汶川震害节点图片上看，柱主筋显然已经屈服，梁没有裂缝说明砼尚未达到抗拉强度，梁钢筋的应力水平必然也很低。这里面究竟是何原因导致？个人认为“强梁弱柱”问题，最为有效的方法还是空间足尺模型的振动台试验。国内可能还比较困难，日本的E-defence可以做足尺模型。按规范设计的框架结构上去，输入汶川地震波，测量钢筋应力分布、砼应力分布；裂缝、变形全过程发展，最终加载到极限破坏状态。很多问题的答案就出来了。我估计日本人肯定是做过的足尺模型的，把他们的论文调过来看一下，说不定也能发现问题，省得我们瞎绕弯路。但值得注意一个有趣的现象，在日本的设计规范里面，有“强剪弱弯”的剪力放大系数，却没有“强柱弱梁”的柱端弯矩放大系数，日本设计规范直接采用不经放大的柱端弯矩设计值进行柱配筋设计。有兴趣的朋友可以查查看。以上个人愚见，欢迎大家探讨，提意见：）bjdtm2001积分1794帖子931#82011-9-2611:58看到前面一个帖子关于日本E-defense振动台的内容，联想到以前曾经听一位日本专家ppt报告，里面就看到了一个五层框架结构的足尺模型振动台试验录像。这个试验着实令我感到震撼。据目测，振动台面尺寸至少在15m*20m，所以足够以放下一个足尺建筑。振动台输入地震波按95年阪神大地震水准，并且双向输入。从录像中可以清晰地看到，破坏集中在底层柱，特别是由于腰墙和顶壁对框架柱的侧移约束，使得框架柱发生了明显的“短柱”X型剪切破坏。从录像记录的过程中可以看到：第一次左震和右震时，在混凝土柱的中部分别出现两道斜向裂缝，第二次、第三次左、右振动时，保护层混凝土已大量剥落。可以想象，当地震强度继续增加时，钢筋将失去约束而被压曲。这或许就是08年汶川地震中“灯笼状”柱破坏的形成过程吧。不过，从录像上看，梁在整个过程中确实没有明显的裂缝，破坏基本都集中在柱子上了。bjdtm20#92011-9-2712:0601积分1794帖子931感谢redstone256提供的日本E-defense振动台资料：看了以后长见识不少，得承认日本足尺模型的振动台试验确实做得比较先进了。这里将日本2006年做过第一个6层框剪结构模型的振动台试验全过程录像截图上来，供大家参考。6层框-剪结构，总高16.0m；平面尺寸：12m*16m；结构总重990tonf；按日本1970年代规范设计。输入地震波主震采用100%Kobe波（三向输入），余震采用60%Kobe波。破坏主要集中在底层柱，其中柱由于底部腰墙的作用形成形成短柱效应，产生严重的剪切破坏。但值得注意的是，整个过程中梁没有发生明显的破坏，仅是在沿节点端部出现了一定的竖向裂缝，尽管柱子的断面已经做得很大了。这个现象值得深思。铁成钢#102011-9-2816:56非常高兴看到实验过程的图片。对于楼主提出的问题，很值得研究和积分210帖子121思考。从实验图片看，柱子的破坏主要是剪切所致。当然，不为纯剪切。很值得研究的是受弯曲、剪切和压力作用的柱其强度公式是什么？规范中，仅将该问题分开来分析，主要讨论剪切强度公式，这似乎不合适。但确实找不到任何其他的公式可用。在柱子的端部，承受弯曲、剪力和压力三者相互作用，为什么仅考虑剪切？给出的考虑压力的强度公式确实也是很费解。不符合材料力学中强度理论。另外，楼主提出的解释---需要两维（甚至三维）分析也很重要，的确如此，正在按楼主的思想解决楼板对梁承载影响问题。不能在糊里糊涂地用乘2或1。5倍刚度解决该问题了。铁成钢积分210帖子121#112011-10-209:34经过几