為什麼在框架結構體系中柱的混凝土強度等級比梁高?

框架結構中柱子主要承受豎向荷載,而地震作用主要是水平荷載,是否應該相應加強梁的混凝土強度等級?為什麼柱的混凝土強度等級反而比梁高?


豎向荷載的確是由框架柱來承擔,但是水平荷載事實上也是由框架柱來承擔的。想像一下,你和朋友面對面站好,手臂伸直,互相推對方,腳不能動,看誰先把誰推倒。為了保證自己不被推倒,胳膊再強壯有用嗎?事實上,起作用的是腰部和腿部力量。

再想像一下你站在公交車上,沒有抓欄杆,公交車突然剎車。為了不被慣性晃倒,是你的胳膊在用力還是腿在用力?

框架結構也是一樣,框架柱是腿,框架梁是胳膊。為了不被地震推倒,所有的地震剪力都要由框架柱來承擔。

簡單按底部剪力法和反彎點法來理解,每層的地震剪力由框架柱承擔,由地震剪力和反彎點位置可以確定柱端彎矩,每個樑柱節點處,上柱柱底和下柱柱頂的彎矩是不平衡的,這個不平衡彎矩由該節點的框架梁承擔,這也就是所謂的「框架」作用。

在地震作用下,每層承受的層水平力,從下往上依次增加。累計起來的地震剪力,則是從上往下依次遞增。因此,一般而言,頂層的樑柱受力最小,底層的樑柱受力最大。

近似來看,各層框架梁的受力情況是這樣的。在水平荷載作用下,底層受力最大,頂層最小;而在豎向荷載作用下,各層基本相同。總體來看,各層框架梁的差異不大。對於地震力較大的框架,可能底部的框架梁需要提高混凝土強度等級,而對於地震力比較小的框架,可能從上往下框架梁都用C30也就足夠了。

而框架柱的情況則完全不同。水平荷載作用下,底層受力最大,頂層最小;而豎向荷載作用下,同樣是底層受力最大,頂層最小。也就是說,底部幾層的框架柱承受著豎向荷載引起的最大的軸力和水平荷載引起的最大的彎矩。因此,這個部位的框架柱必須要加強。

實際設計中,需要用軸壓比這個概念來控制框架柱的設計。也就是說,框架柱實際承受的豎向軸壓力與它的混凝土部分理論上可以承受的最大軸壓力的比值。各個抗震等級的框架柱的軸壓比都有嚴格的限值。之所以要控制軸壓比,讓柱子承受的軸壓力遠遠小於它可以承受的軸壓力,就是讓它留有充足的餘量,保證足夠的延性,進而保證它在水平荷載作用下有較好的表現。

其實這個也很好理解,柱子從上到下,肯定是越往下承受的荷載越大,所以底下的柱子應該比上面的結實。有兩個方法可以讓下面的柱子比上面的結實。其一是擴大截面,就是強度不變,讓底下的柱子比上面的柱子粗大,所以就結實了。其二則是提高強度等級,截面不變,粗細都一樣,但是底下的柱子強度比上面的柱子要高,所以也變結實了。

擴大截面的缺點很多,建築布局會受到影響,而且建築實用面積會減少。此外,截面擴大後結構抗側剛度會提高,繼而會吸收更多的地震力,形成惡性循環,「面多了加水,水多了加面」,非常不合理。

提高混凝土強度等級則沒有這些缺點,在不擴大截面尺寸、不改變結構剛度的前提下,比較方便的就能夠滿足軸壓比的要求。每一層的建築布局也能夠保持一致。而且,提高混凝土強度等級,對經濟性的影響很小,高強度等級的混凝土比低強度等級的價錢貴不了多少。因此,這也是最常用的方法。

並不是所有框架柱混凝土強度等級都大於跟它相連的框架梁的,簡單說,只要框架柱能夠滿足軸壓比即可,混凝土強度等級太高了也沒必要。梁C30,柱如果C30也能滿足軸壓比的要求的話,那就樑柱都C30就可以。「強柱弱梁」說的是實際承載力,跟截面尺寸、配筋大小直接相關,與混凝土強度等級關係不大。Mbua的計算公式中,根本沒有混凝土強度等級這一項。

舉例來說,一個比較高的框架結構,梁板柱混凝土等級很可能會是這樣的:

底部幾層 柱C50 梁C40 板C30
中間幾層 柱C40 梁C30 板C30
頂部幾層 柱C30 梁C30 板C30

而一個普通的框架結構,梁板柱混凝土等級則可能是這樣的:

底部幾層 柱C40 梁C30 板C30
頂部幾層 柱C30 梁C30 板C30

如果是一個兩三層的框架結構,那就更簡單了,梁板柱統統C30就行了。


瀏覽了所有答案,感覺都沒有直指要害。
強柱弱梁是大家最直接的反應,但真的是這樣嗎?強柱弱梁是通過混凝土等級來設置的嗎?

如果這樣,可以試算一個例子,如果梁體採用C40時,做到強柱弱梁,那麼將C40混凝土改成C60,是不是強柱弱梁就不滿足了?

這個問題實際是結構設計原理的基本概念,哪些因素對梁的抗彎承載能力影響大?

沈蒲生的《混凝土結構設計原理》中有這麼一個習題,其他條件不變,改變混凝土的強度等級,計算抗彎承載能力。

我也每次上到這裡,總是讓學生分析上面提出的,哪些因素影響大的問題。

學生各種方法都有,數學弱點的,用數值驗證,數學好點的,用解析方法,直接求敏感性證明。

下面簡單看看混凝土強度到底影響大不大,(手機輸入,可能符號不準確,湊合著看)

Mu=fyAs(h0-x0/2)

從上式看,M的表達式中與混凝土強度等級有關的量只有x0,而通常配置的適筋梁的x0與h0比是個小量。而提高一兩個混凝土強度等級x0的變化,對Mu的影響實在有限。

分析到這裡,答案就呼之欲出了,對於受彎為主的梁結構,提高混凝土強度等級對於承載能力提高影響不大或者說用改變混凝土強度等級的方法來提高抗彎承載能力很不經濟。


而柱子是個偏壓構件,故柱子用較高的混凝土強度等級有意義。


簡單答幾點:

結構體系方面:
1、水平荷載下,柱子也是要承受剪力的。
2、梁剛度過大,對抗震不利:自振周期小,地震力大。
3、框架結構用於中低層建築,豎向荷載起控制作用。
4、強柱弱梁也是一點。

混凝土配筋方面:
1、提高等級,減少柱截面積。
2、而梁是混凝土和鋼筋協同工作,對抗彎作用不大:受拉區不考慮混凝土作用,受壓區混凝土強度不夠就用鋼筋補上。
3、梁混凝土等級高,容易收縮開裂。


柱子是壓彎構件
水平荷載作用下,結構發生側移,由於P-δ效應,柱子更加重要
具體可以看高層建築結構設計(方鄂華) 第五章的內容


強柱弱梁
強柱弱梁(strong column and weak beam)指的是使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求。用以提高結構的變形能力,防止在強烈地震作用下倒塌。「強柱弱梁」不僅是手段,也是目的,其手段表現在人們對柱的設計彎矩人為放大,對梁不放大。其目的表現在調整後,柱的抗彎能力比之前強了,而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣樑柱一起受力時,梁端可以先於柱屈服。
摘自百度百科。


出於對框架結構的抗震設計,抗震區建築要實現「小震不壞,中震可修,大震不倒」的三水準設防目標,設計時應使得強柱弱梁、強剪弱彎,強節點強錨固,就是說在經過彈性理論計算出框架內力後,對其進行內力調整,放大柱的內力,以保證遭遇罕遇地震時。梁端首先出現塑性鉸,發生轉動變形,吸收足夠的地震能,地震持續很短,建築物就不至倒塌。而加強柱砼等級,在節點處多配箍筋等。。則是通過內力設計構件後所得出的手段了。。ps:水平地震作用,最終通過傳遞,給了柱子來承擔,豎向抗側力構件就是它了,所以說框架結構中最重要的構件就是柱了,你想想是梁先破壞好,還是柱先破壞好呢?


簡單來說 水泥是抗壓的 鋼筋是抗彎的
想想結構就知道了,柱子受壓比較大 而梁主要是抗彎 ,所以梁主要是要加鋼筋



強柱弱梁這是基本道理,解釋那麼多廢話有什麼意義!


首先柱子在結構體系中的作用,就不再說了,上面說的很清楚,抗震中提到的強柱弱梁講到了,地震中柱子破壞造成傷害是很大的,因此柱子是很重要的構件。再從承載力角度說,柱子承受的荷載是較大的,第一,上部結構的大部分豎向荷載都要傳到柱子上;第二,水平風荷載,地震作用也會在柱子上產生較大的彎矩。因此,從承載力角度看,柱子不僅要承受較大的軸向力還要承受較大的彎矩。但是,從抗彎的角度來看,單純提高混凝土或鋼筋等級對抗彎能力的增加是極其有限的,因此,從柱子承受彎矩的方面看,我並不認為這和柱子混凝土等級較高有直接聯繫。柱子混凝土等級較高我認為主要是考慮對豎向承載力的較大貢獻,以便於更好承受很大的軸力。


框架結構,柱的震害大於梁,柱頂的震害大於柱底。


很簡單的道理,腿總是比胳膊結實,而且有力氣。就是這個原理。


板的荷載傳給梁 梁的荷載傳給柱 柱要承受的荷載是梁+板的 你說柱應不應該比梁強度高


大家都背過"強柱弱梁,強剪弱彎,強錨固,強節點"吧。
正如百度百科詞條所說,使梁先於柱屈服。
若梁太強,在構件進入塑性工作狀態時,會把柱子翹裂,使柱子出現塑性鉸,這頗危險。
而我們希望塑性鉸出現在梁端,這樣相對來說不容易影響整體。


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