你去工地走一圈,随便问一个干活的师傅:钢筋越多房子就越结实吗?十个当中至少有九个人会对你点头。这太符合直觉了,柱子粗一点、钢筋密一点,看上去就敦实可靠。但是如果你问结构工程师,他大概率会皱眉头,然后告诉你一句听起来很反常识的话,那就是钢筋加多了有时候比加少了还可怕。
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这是为什么?咱们得从一根梁是怎么坏掉的说起。
钢筋混凝土梁可以看成是一个组合体。混凝土是抗压能力强的材料,你往它上压它不会破裂,但是你往它两边拉它就会断裂。钢筋恰恰相反,它最擅长的就是抗拉。因此这对搭档的分工十分清楚,混凝土在上半部分抗压,钢筋在下半部分抗拉。外力一来,梁就会向下弯,底部钢筋被拉长,顶部混凝土被压缩,各自为政,井然有序。
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配合默契的状态在结构设计中有个专门的叫法,叫做适筋梁。
适筋梁有非常重要的一个特点,它是一个带有预告片的演员。当外力达到一定程度时,底部钢筋就会先被拉屈服,就像一根橡皮筋被拉到极限开始变细一样。这时梁上就会出现一条条裂缝,肉眼可见,梁发出咯吱咯吱的声响。这不是坏事,在你暗示我快要死的时候释放出来的信号。从钢筋屈服到梁最终垮塌之间有一个时间段让你逃生。破坏方式称为延性破坏,有预兆、有缓冲、有人情味。
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但你要是拼命往梁里加钢筋,情况就彻底变了。
钢筋太多,底部抗拉能力远远大于顶部混凝土的抗压能力。外力一来,钢筋就硬邦邦地不屈服,顶部混凝土就被压成了粉身碎骨。混凝土一捣,梁顿时失去了承载力,一声巨响就塌了。整个过程没有预兆,没有裂缝的增大,没有咯吱声,说倒就倒。这就是超筋梁的脆性破坏,像玻璃杯掉在地上一样,干脆利落,没有讨价还价的余地。
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有资料表明,对于钢筋混凝土梁等受弯构件,如果配筋率过大造成超筋,其破坏形式就会从适筋梁变为超筋梁,而超筋破坏是脆性破坏的形式,应该避免。限制受压区高度也是为了防止加固量过大造成超筋脆性破坏。
你看,钢筋多了,反而把混凝土给坑了。
超筋破坏只是一半的问题。钢筋加多了,又有一个更隐蔽的漏洞就是抗震设计中强柱弱梁的原则被破坏了。
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什么是强柱弱梁?你可以将一栋框架楼想象成是用积木搭建而成的骨架。柱子是骨架的腿,梁是腿之间的横杆。地震到来时,房子左右摇晃,结构要吸收大量的能量。设计师的算盘就是让梁先坏,使梁先变形、先开裂、先屈服,消耗地震能量。柱子千万不能坏,柱子一坏整栋楼就塌了。这就是强柱弱梁,柱子比梁更坚固、更结实、更晚破坏。
但是如果你把梁里的钢筋加得太多,梁就变得太强、太硬、太容易坏了。地震到来时,梁不动,所有的能量都集中到柱子上。柱子撑不住了,咔嚓一声断了,整栋楼就像被抽掉腿的桌子一样直接坐下去。你本来是为了使梁更加安全而给它加了钢筋,结果却把柱子给毁了。
汶川地震的震害调查就是一次惨痛的教训。调查表明,在地震中很多现浇钢筋混凝土框架结构并没有真正地实现强柱弱梁,反而出现了强梁弱柱的破坏模式。另一个重要原因就是梁端钢筋配置过多。有结构工程师在现场看到的景象是,几乎所有的混凝土框架结构都没有实现强柱弱梁。
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钢筋越多越好吗?这不是如此的。钢筋太少,梁底部受力处就出现裂缝,钢筋被拉断,这是少筋破坏,也是脆性破坏,没有预兆。
因此结构设计的本质就是追求恰到好处的临界点,而不是追求越多越好或者越少越好。临界点,在规范中称为适筋梁的范围,即配筋率不能过低也不能过高。设计人员根据精确计算来控制受压区高度、控制配筋率上限,使构件破坏时钢筋先屈服、混凝土后压碎,破坏有前兆、有预警、有逃生时间。
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那为什么现实生活中还会存在许多超筋的现象呢?原因往往很简单,施工队觉得多加几根钢筋更保险,开发商觉得粗一点的钢筋更踏实。另外一些农村自建房完全根据经验来下料,梁柱钢筋放得太多太粗,反而埋下了安全隐患。
钢筋是建筑的血肉,但是血肉过多也会撑破骨架。结构设计并不是把分量加在秤上,而是要对称地施力。少一分就会弱,多一分就会脆。那不多不少的中间地带才是真正的安全地带。
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