基于解構(gòu)的鋼筋混凝土柱與梁的設(shè)計(jì)構(gòu)思

■賴禎賢

（南通華榮建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 南通 226001）

單個(gè)構(gòu)件的研究和整體考慮，仍是建筑結(jié)構(gòu)向前發(fā)展的兩個(gè)方向。構(gòu)件的靜力學(xué)研究、材料力學(xué)的研究，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)質(zhì)的材料和簡明的受力構(gòu)件，受力構(gòu)件從傳統(tǒng)的柱（墻）、梁（拱）、板發(fā)展到平面桁架、空間網(wǎng)架和曲面索膜結(jié)構(gòu)，材料由磚、石、木材、鐵件，新增了鋼材、混凝土、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)等?；谧冃螀f(xié)調(diào)的理論，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮鋼材的抗拉和混凝土的抗壓的優(yōu)良特性，在現(xiàn)代建筑形式上占據(jù)絕對重要的地位。按能量守恒的原則，構(gòu)件總是從最薄弱的環(huán)節(jié)、最薄弱的構(gòu)件先破壞，也就是“受力短板”。研究占主要支配地位的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件，側(cè)重于短板的形成機(jī)理，解構(gòu)是從原理出發(fā)的一種方法。由主筋和箍筋的配合，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件分析變得豐富起來，通過解構(gòu)對受力后構(gòu)件的屈服形式有了更深的認(rèn)識。

一、梁的抗彎剛度解構(gòu)分析

從原理出發(fā)，從抗彎剛度的定義B=M/φ來看：（1）如果鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫，截面不再連續(xù)，剛度沿彎矩方向的積分B=∫y2dA也不再是一個(gè)定值；（2）從微分單元dA來看，當(dāng)積分遇到鋼筋，無論截面是否開裂，面積內(nèi)的材料性質(zhì)發(fā)生了變化，等剛度代換是否合適？（3）又根據(jù)變形模量的定義E=ζ/ε，隨著應(yīng)力的變化，截面的變形模量不再是一個(gè)常數(shù)。也就是說，當(dāng)建立模型時(shí)，采用數(shù)學(xué)分析時(shí)，遇到了材料的物理性質(zhì)問題；當(dāng)采用物理力學(xué)分析時(shí)，又遇到了材料本身特性的問題?，F(xiàn)在的做法是基于安全的考慮和方便計(jì)算的考慮，通常將B=EI取小值[1]。

裂縫（受力裂縫，下同）總是會有的，除非是完全的受壓構(gòu)件，否則鋼筋就不會受到拉力，而且裂縫要足夠?qū)挘駝t鋼筋不能充分發(fā)揮受拉的特性。根據(jù)短板的原理，在構(gòu)件的任何一個(gè)局部出現(xiàn)裂縫，鋼筋的受力環(huán)境條件就會改變，在惡劣的環(huán)境中更突出。有效的辦法是提高混凝土的耐久性或者密實(shí)度，實(shí)際是變相地提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，帶來成本的大幅度增加。比如，歐洲和英國標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采用普通波特蘭水泥配置為防腐蝕鋼筋混凝土?xí)r，一般要求摻入膠合物總量50%GBBS或者35%粉煤灰+15%GGBS來代替水泥，這些都帶來成本的增加。在某些地區(qū)，GGBS和粉煤灰的價(jià)格高出水泥很多，同時(shí)混凝土的材料特性（E）并不完全等同于普通混凝土，即便如此，仍然要求較厚的混凝土保護(hù)層。所以，短板是在鋼筋的混凝土保護(hù)層。

當(dāng)材料特性不同時(shí)，fyAs=fcAc，用等強(qiáng)（彎矩）換算面積還是等模量換算面積？以C30和C為例，按等強(qiáng)度換算，鋼筋換算面積將是相應(yīng)混凝土面積的25倍，等剛度代換只有6.7倍，當(dāng)在同一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力與變形相協(xié)調(diào)時(shí)，首先考慮應(yīng)力/應(yīng)變協(xié)調(diào)，短板才不會出現(xiàn)，即當(dāng)應(yīng)力只要超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)裂縫，混凝土的受壓高度內(nèi)移，并移動至中性點(diǎn)，混凝土本身抗彎剛度就會因此縮小。

如果εc，或者受壓區(qū)可以假定為均勻受壓，受壓區(qū)應(yīng)力中心就在x/2處；當(dāng)假定為三角線分布，應(yīng)力合力在x/3處。當(dāng)用均勻受壓理論時(shí)，E比較容易推導(dǎo)，也能符合工程計(jì)算的大致要求。但出現(xiàn)裂縫后，截面的基本形狀也就是平截面假定出現(xiàn)了Y變，在裂縫處有兩個(gè)分開的截面，平截面轉(zhuǎn)變?yōu)閅變截面，平截面由全截面受壓慢慢移至部分截面受壓，受壓截面裂開，平截面假定就需要修正了。原理上，Y變類似穩(wěn)定三角形，是有利于截面的穩(wěn)定的。

根據(jù)能量守恒原理，撓度f應(yīng)等于∑（ω-Δ），在數(shù)學(xué)上表示為x從截面形心（ο）向受壓中心（οε）移動。

二、柱的大小偏壓解構(gòu)分析

從柱的大偏心受壓破壞來看，有箍筋、核心區(qū)混凝土、軸壓比、縱筋、截面形狀等5個(gè)因素[2]。

從以上的分析來看，核心區(qū)的混凝土嚴(yán)格意義上是受壓區(qū)混凝土的自握裹能力（c，凝聚力）和Y變截面對核心區(qū)混凝土的支持力，由于Y變的側(cè)向傳力，使得箍筋受拉，傳力的途徑為柱截面受壓將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]箍筋的軸向受壓。因?yàn)橹谌孛嫜馗叨仁軌海挥性趬毫χ鶢顖D上壓力有變化的區(qū)域，適當(dāng)?shù)丶用芄拷铋g距或者放大一些。

因?yàn)閅變出現(xiàn)后，箍筋內(nèi)的核心混凝土隨裂縫的開展或縮小，除非設(shè)計(jì)將受壓區(qū)規(guī)定在hcon內(nèi)。全截面的軸壓比要比實(shí)際受壓區(qū)軸壓比小，至少是h/x的關(guān)系，從概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，預(yù)先控制整個(gè)截面的軸壓比，是出于安全的考慮、經(jīng)驗(yàn)的考慮。實(shí)際軸壓比可能比全截面的計(jì)算大很多，例：在規(guī)定x=0.35h時(shí)。在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（GB50010-2010）中定義的 ζ1=0.5fcA/N，不如考慮為ζ1=0.35fcA/N，或者基于動態(tài)計(jì)算調(diào)整的ζ1=fcxb/N。

縱筋的抗壓能力仍然是要跟隨著混凝土的變形，如果壓縮過快，比如高強(qiáng)度鋼筋和低強(qiáng)度高壓縮的混凝土配合，縱筋的截面將在橫向以泊松比鼓大，導(dǎo)致在受壓區(qū)的箍筋破壞。

長細(xì)比影響構(gòu)件穩(wěn)定，是因?yàn)槠淖饔孟缕木鄷哟?，來自于N→f的二階效應(yīng)作用，假定大偏心受壓撓度曲線假定為正弦函數(shù)，y=fsin（пx/lo），

遵從平截面假定，φ=(εs+εc)/h0，如果此時(shí)分別假定 l0/h0=5和 15，暫時(shí)忽略 h、h0、hcon的微小差別，令ζ1=1，在ei=0.3h時(shí)，可以推出η分別為1.07和1.53。

假設(shè)在柱的中部，按N→f的二階效應(yīng)作用的假定：M=N(ei+f)，沿彎矩作用的方向，給柱一個(gè)約束力，使得沿力的方向產(chǎn)生的撓度等同于此，可以推出這個(gè)力FN大約分別是0.02N和0.04N。由于偏心距加大，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

三、彎矩和拉壓力偶的解構(gòu)和結(jié)論

既然裂縫的開展，受拉區(qū)混凝土退出工作，截面由平截面Y變，混凝土的耐久性為變相提高混凝土的抗拉能力，有必要將構(gòu)件的受拉和受壓區(qū)進(jìn)行解構(gòu)，假設(shè)單體構(gòu)件能夠承受荷載作用，就沒有必要硬糅在一起[3](如圖1)。

即柱解構(gòu)為軸心作用的拉壓構(gòu)件和類似桁架腹桿的Y形連接件，Y構(gòu)件連接單體并約束和協(xié)調(diào)變形。其特點(diǎn)有三個(gè)：（1）彎矩為拉壓力偶；（2）軸心受壓的混凝土縱筋形成骨架，主要受力筋是箍筋，約束混凝土的變形，提高核心混凝土強(qiáng)度；（3）Y構(gòu)件將此箍筋變形產(chǎn)生的橫向力不是作為側(cè)向力，而是作為一組相互平衡的力傳遞為軸向拉力。在Y變高度范圍內(nèi)，設(shè)置為上下層垂直管道需要的水平或垂直的通道，這些管道只要穿過樓板，可以在Y變空間內(nèi)自由布置。

同理，梁的解構(gòu)亦然如圖2。

圖1 柱的解構(gòu)

圖2 梁的解構(gòu)

對于大跨度的梁，有必要預(yù)先規(guī)劃梁的受壓區(qū)，在小跨度的梁，可使得板的厚度hf與梁的受壓混凝土厚度hbc極為接近，其目的使梁的箍筋消失，梁的受壓區(qū)混凝土強(qiáng)度有可能與板一致。將電纜通道、暖風(fēng)管道所要求的空間布置在梁的Y變空間內(nèi)，例：一個(gè)600mm高的梁，受壓區(qū)或許在210mm（0.35h），受拉區(qū)或許用或更小，槽鋼和梁之間的空隙有200mm，這是足夠暖風(fēng)和電纜通過的。

基于解構(gòu)的方法論和簡單布置的原則，如果單體能足夠解決結(jié)構(gòu)問題的話，沒有必要把結(jié)構(gòu)弄的復(fù)雜。型鋼組合柱和鋼—混凝土組合梁目前應(yīng)用廣泛，如果（1）在理論上平截面假定在工作階段修訂為Y變截面，（2）通過能量守恒原理，視撓度為裂縫的豎向疊加，柱和梁的設(shè)計(jì)可以簡單化，這有利于結(jié)構(gòu)師在概念設(shè)計(jì)階段為建筑師提供更多可能性，推動建筑向高層和裝配式方向發(fā)展。