基于解構的鋼筋混凝土柱與梁的設計構思

■賴禎賢

（南通華榮建設集團有限公司，江蘇 南通 226001）

單個構件的研究和整體考慮，仍是建筑結構向前發展的兩個方向。構件的靜力學研究、材料力學的研究，涌現出一大批優質的材料和簡明的受力構件，受力構件從傳統的柱（墻）、梁（拱）、板發展到平面桁架、空間網架和曲面索膜結構，材料由磚、石、木材、鐵件，新增了鋼材、混凝土、鋼與混凝土組合結構等。基于變形協調的理論，鋼筋混凝土結構發揮鋼材的抗拉和混凝土的抗壓的優良特性，在現代建筑形式上占據絕對重要的地位。按能量守恒的原則，構件總是從最薄弱的環節、最薄弱的構件先破壞，也就是“受力短板”。研究占主要支配地位的鋼筋混凝土結構及其構件，側重于短板的形成機理，解構是從原理出發的一種方法。由主筋和箍筋的配合，使得鋼筋混凝土結構的構件分析變得豐富起來，通過解構對受力后構件的屈服形式有了更深的認識。

一、梁的抗彎剛度解構分析

從原理出發，從抗彎剛度的定義B=M/φ來看：（1）如果鋼筋混凝土出現裂縫，截面不再連續，剛度沿彎矩方向的積分B=∫y2dA也不再是一個定值；（2）從微分單元dA來看，當積分遇到鋼筋，無論截面是否開裂，面積內的材料性質發生了變化，等剛度代換是否合適？（3）又根據變形模量的定義E=ζ/ε，隨著應力的變化，截面的變形模量不再是一個常數。也就是說，當建立模型時，采用數學分析時，遇到了材料的物理性質問題；當采用物理力學分析時，又遇到了材料本身特性的問題?，F在的做法是基于安全的考慮和方便計算的考慮，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件，否則鋼筋就不會受到拉力，而且裂縫要足夠寬，否則鋼筋不能充分發揮受拉的特性。根據短板的原理，在構件的任何一個局部出現裂縫，鋼筋的受力環境條件就會改變，在惡劣的環境中更突出。有效的辦法是提高混凝土的耐久性或者密實度，實際是變相地提高混凝土的抗拉強度，帶來成本的大幅度增加。比如，歐洲和英國標準，當采用普通波特蘭水泥配置為防腐蝕鋼筋混凝土時，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，GGBS和粉煤灰的價格高出水泥很多，同時混凝土的材料特性（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層。所以，短板是在鋼筋的混凝土保護層。

當材料特性不同時，fyAs=fcAc，用等強（彎矩）換算面積還是等模量換算面積？以C30和C為例，按等強度換算，鋼筋換算面積將是相應混凝土面積的25倍，等剛度代換只有6.7倍，當在同一個區域產生應力與變形相協調時，首先考慮應力/應變協調，短板才不會出現，即當應力只要超過混凝土的抗拉強度，出現裂縫，混凝土的受壓高度內移，并移動至中性點，混凝土本身抗彎剛度就會因此縮小。

如果εc，或者受壓區可以假定為均勻受壓，受壓區應力中心就在x/2處；當假定為三角線分布，應力合力在x/3處。當用均勻受壓理論時，E比較容易推導，也能符合工程計算的大致要求。但出現裂縫后，截面的基本形狀也就是平截面假定出現了Y變，在裂縫處有兩個分開的截面，平截面轉變為Y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變類似穩定三角形，是有利于截面的穩定的。

根據能量守恒原理，撓度f應等于∑（ω-Δ），在數學上表示為x從截面形心（ο）向受壓中心（οε）移動。

二、柱的大小偏壓解構分析

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

從以上的分析來看，核心區的混凝土嚴格意義上是受壓區混凝土的自握裹能力（c，凝聚力）和Y變截面對核心區混凝土的支持力，由于Y變的側向傳力，使得箍筋受拉，傳力的途徑為柱截面受壓將壓力轉變為封閉箍筋的軸向受壓。因為柱在全截面沿高度受壓，只有在壓力柱狀圖上壓力有變化的區域，適當地加密箍筋間距或者放大一些。

因為Y變出現后，箍筋內的核心混凝土隨裂縫的開展或縮小，除非設計將受壓區規定在hcon內。全截面的軸壓比要比實際受壓區軸壓比小，至少是h/x的關系，從概念設計的角度出發，預先控制整個截面的軸壓比，是出于安全的考慮、經驗的考慮。實際軸壓比可能比全截面的計算大很多，例：在規定x=0.35h時。在《混凝土結構設計規范（2015年版）》（GB50010-2010）中定義的 ζ1=0.5fcA/N，不如考慮為ζ1=0.35fcA/N，或者基于動態計算調整的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，比如高強度鋼筋和低強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，導致在受壓區的箍筋破壞。

長細比影響構件穩定，是因為偏心作用下偏心距會加大，來自于N→f的二階效應作用，假定大偏心受壓撓度曲線假定為正弦函數，y=fsin（пx/lo），

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

假設在柱的中部，按N→f的二階效應作用的假定：M=N(ei+f)，沿彎矩作用的方向，給柱一個約束力，使得沿力的方向產生的撓度等同于此，可以推出這個力FN大約分別是0.02N和0.04N。由于偏心距加大，結構失穩破壞。

三、彎矩和拉壓力偶的解構和結論

既然裂縫的開展，受拉區混凝土退出工作，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，有必要將構件的受拉和受壓區進行解構，假設單體構件能夠承受荷載作用，就沒有必要硬糅在一起[3](如圖1)。

即柱解構為軸心作用的拉壓構件和類似桁架腹桿的Y形連接件，Y構件連接單體并約束和協調變形。其特點有三個：（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，提高核心混凝土強度；（3）Y構件將此箍筋變形產生的橫向力不是作為側向力，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，設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變空間內自由布置。

同理，梁的解構亦然如圖2。

圖1 柱的解構

圖2 梁的解構

對于大跨度的梁，有必要預先規劃梁的受壓區，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，梁的受壓區混凝土強度有可能與板一致。將電纜通道、暖風管道所要求的空間布置在梁的Y變空間內，例：一個600mm高的梁，受壓區或許在210mm（0.35h），受拉區或許用或更小，槽鋼和梁之間的空隙有200mm，這是足夠暖風和電纜通過的。

基于解構的方法論和簡單布置的原則，如果單體能足夠解決結構問題的話，沒有必要把結構弄的復雜。型鋼組合柱和鋼—混凝土組合梁目前應用廣泛，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，柱和梁的設計可以簡單化，這有利于結構師在概念設計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展。