力學(xué)在鋼筋設(shè)計中的基本原理應(yīng)用

發(fā)布時間:2023-08-29
《力學(xué)》是學(xué)習(xí)鋼筋“平法”的基礎(chǔ)知識,只有掌握了力學(xué),才能理解平法為什么要那么做。比方說梁的鋼筋,為什么上部鋼筋只能在梁跨中搭接?而下部鋼筋就只能在支座旁邊三分之一跨的長度范圍內(nèi)搭接?如果不知道原理,不多問一個“為什么”,就不能真正說“懂”。
下面我就舉兩個“力學(xué)在鋼筋設(shè)計中的基本原理應(yīng)用”的例子,希望讀者指出不足,互相學(xué)習(xí)共同進步;希望大家“牽一發(fā)而動全身”,從一個原理反射理解到其他地方,培養(yǎng)在思考中學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。
1.梁的上下部鋼筋搭接位置原理
首先我們來看一下梁最基本的一種破壞時的情形。
一根梁,兩端都有支座(等于在柱子上),我們在中間施加壓力,想想會出現(xiàn)什么情況呢?
如果你知道答案是梁最終會斷裂,那么,想想裂縫最先出現(xiàn)在什么地方呢?
很明顯,梁的下部會最先出現(xiàn)裂縫。力學(xué)實驗證明,下部鋼筋會斷,上部鋼筋會在中部被擠壓成“燈籠”。請看下面的力學(xué)示意圖。
可以想象,假如梁的下部鋼筋在跨中處搭接,結(jié)果會是怎么樣?結(jié)果一定是在跨中搭接,受到梁內(nèi)部最大的拉力,當(dāng)然容易斷裂了!
可以引出《平法》中那些經(jīng)驗做法:
①梁上部要有支座負(fù)筋,并且通常伸入支座三分之一跨長
②梁的上部鋼筋要在跨中搭接;下部鋼筋要在支座兩邊三分之一跨長處搭接
③支座的兩端往往需要箍筋加密(抗震加密)
2.錨固、搭接的力學(xué)原理
在理想情況下,鋼筋當(dāng)然是能不需要搭接最好,就像混凝土能最好一次性澆筑一樣,一個整體總會比兩個結(jié)合的內(nèi)力要強。但因為混凝土有水化熱等等原因,并不能一次性把整棟大樓澆筑好;鋼筋因為生產(chǎn)、運輸?shù)仍?,并不能長到剛剛好的長度。所以規(guī)范的市場里,鋼筋一般是9米,或12米的規(guī)格。這是從市場層面解釋為什么要有搭接。
我們想想為什么需要錨固?把一個小木塊架在墻上,或者用鐵釘釘在墻上,結(jié)果是不同的吧?用鐵釘當(dāng)然比單純架在墻上更能穩(wěn)固木塊,問題是:鐵釘要多長才能做到固定木塊,又不浪費呢?
力學(xué)上有專門的計算公式,需要根據(jù)鋼筋的直徑、表面粗糙程度、受力大小等,計算出錨固的長度。簡單說,該計算公式的原理就是找到一個
臨界點:鋼筋剛好拔出的那一瞬間,剛好斷裂。這樣你可以明白為什么級別越高的鋼筋它的錨固長度越大了吧?
搭接也是這個概念。但有的人疑惑,為什么直徑不一樣的鋼筋搭接,要用直徑小的鋼筋計算出的搭接長度呢?打個小小的比喻:一根粗繩子可以承受100牛的拉力,而一根細(xì)繩子只能十牛,兩根綁扎在一起,用力兩邊一拉,哪根先斷呢?毫無疑問,細(xì)的會先斷裂。
并且當(dāng)施加的力到十牛時,這個結(jié)合就已經(jīng)被破壞。所以采用 100牛的拉力的話,有90牛是浪費的。鋼筋搭接就是如此,搭接長度只要滿足兩鋼筋被拉開的瞬間,細(xì)的鋼筋剛好斷裂就足以!
3.萬能的內(nèi)折角定律
所謂的內(nèi)折角,我不文字解釋,直接上圖更形象
(如左圖,鋼筋在轉(zhuǎn)角處彎折,這樣的危險就如右圖所示,當(dāng)鋼筋兩端都有拉力時,角處是“尖銳又脆弱”的,很容易就被破壞了。)
因此,無論在任何構(gòu)件任何情況下,都絕對不允許內(nèi)折角出現(xiàn)。解決的辦法就是鋼筋一定要伸到底。
可以看到《平法》無時不刻在運用這個定律,如果你有一天看到?jīng)]有伸到底就彎折的的鋼筋,那么你一定要自信的站出來,對設(shè)計人員說這圖紙出錯了。
比如:
4.受力鋼筋布置位置靠外定律
這個定律是相對于分布鋼筋等構(gòu)造鋼筋說的。打個比方說,一道剪力墻,是水平鋼筋在外面,還是垂直鋼筋呢?又比如板,長邊和短邊的鋼筋。 哪個是在下面呢?是隨便哪個靠外都可以嗎?答案當(dāng)然是否定的。
這個規(guī)律就是:哪種鋼筋受力更大,它就更靠外。比如說是獨立基礎(chǔ)的鋼筋:長向鋼筋在下,短向在上。
為什么是這樣呢?請觀察下圖,在基礎(chǔ)底面受到均勻土應(yīng)力的情況下:
其受力結(jié)果如下圖:
很明顯,在上有柱子頂住中心,下有均勻的土應(yīng)力情況下,獨立基礎(chǔ)是長邊的彎曲更多!因此長邊的受力更多。所以將長邊的鋼筋放在下面,短邊鋼筋置于上面。此時短邊鋼筋受力不多,基本等于分布鋼筋的作用,起到固定長邊鋼筋,形成鋼筋網(wǎng)的作用。
因此,回到前面疑問:剪力墻的鋼筋是水平筋在外,還是垂直筋。其實答案是不確定的。因為剪力墻在不同的位置其受力情況不同(比如地下室剪力墻還受到土應(yīng)力,而在地上不存在這種情況)。
從方便施工角度考慮的,即由外到內(nèi)是:第一層,剪力墻水平鋼筋;第二層,剪力墻的豎向鋼筋和暗梁的箍筋(同層);第三層,暗梁的水平鋼筋。
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