什么是结构?什么是非结构?
小智审图2021-05-23

关于什么是结构什么是非结构,在结构工程专业的内外之间存在一个认知的鸿沟。

在不搞结构工程的人那儿,似乎只要不能徒手掰弯的都是结构,以至于填充墙、管道、铝合金门窗等等……都是结构;搞装修的人管这些叫“硬装”;而在搞结构的人看来,它们都是“非结构构件”。

尽管搞结构的人对于结构有比较狭义的理解,喜欢把狭义“结构”以外的统统叫做“非结构”,但当我在十几年前第一次在日本文献中看到“钢筋混凝土非结构墙”(鉄筋コンクリート非構造壁)时,仍然替钢筋混凝土感觉受到了侮辱:你们管钢筋混凝土也叫非结构?!




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是的,他们确实管一些现浇钢筋混凝土墙叫非结构构件,并且对此振振有辞。简单地说,所有不必符合钢筋混凝土规范中对剪力墙的种种验算和构造要求的钢筋混凝土墙,都是非结构墙。它们是不被计入结构的承载力验算,而仅作为承载力储备的。

它们形式多样,用途广泛,还各自有好听好记,并且中国人也毫无阅读障碍的名字(上图)。今天要讲的,就是一个关于方立壁的悲伤故事。

01刚接RC填充墙

以前,钢筋混凝土(RC)方立壁是和上下两边的RC梁浇在一起的,也就是上下两端刚接。但是人们很快就发现它配筋太少(通常外墙150mm厚双层圆10钢筋间距450mm,内墙120mm厚单层圆10钢筋间距300mm),刚度又很大,在地震中特别容易发生脆性破坏。


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作为与主体结构刚接的RC墙,本来能提供不少承载力储备。但是因为还没等RC框架主体结构充分施展本领,它们就先坏了,嘎嘣,承载力储备没了。
近年来的几次发生在日本的地震中都出现了这样的震害。比如在2011年东日本大地震中:


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再比如在2016年的熊本地震中:

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或者是在我们的试验中:

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02 设缝RC填充墙

于是有人出主意。既然这些非结构墙不参与结构承载力验算,在地震中又那么容易坏,不如索性在它们和主体结构之间设置一道缝,把它们和主体结构拆散。比如像下图这样:


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这样一来,除了三根限位筋传递的力之外,墙肢几乎不受力了,当然也就不会坏了。试验做出来果然如此,一点惊吓也没有。


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至于为什么把缝设置在墙底而非墙顶,其实主要是为了施工方便考虑。这些RC填充墙是和主体结构一起浇筑的,若要在墙顶设缝,反而不好施工了。

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03设缝RC填充墙+消能器

但是,就像上世纪日本抗震界的刚柔之争的另一片战场似的,又有人对于RC填充墙设缝提出反对意见:好好的钢筋混凝土墙,那么可观的承载力安全储备,怎么能说不要就不要了?太不尊重承载力君了!

于是远在日本的小伙伴想到一个办法:在缝里塞些消能器,把变形集中在消能器那里,一方面可以保持一定的承载力;另一方面也不会因为脆性破坏而过早地退出工作。


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这个想法,emmm,怎么说呢,对我其实没有太大的吸引力。但也不妨试试,万一好玩儿呢?

我们想了两种布置消能器的形式。一种是延续墙下设缝的施工传统,把消能器布置在底部缝隙中,姑且称之为“底部消能墙”;另一种是把消能器布置在墙肢的反弯点处,也就是墙肢的中间,姑且称之为“中间消能墙”。

我们认为二者各有所长。底部消能墙照顾了传统的设缝施工工艺,中间消能墙受力更加合理。但是试验表明,二者又各有所短。

底部消能墙悬臂较长,墙肢开裂后其变形占比很大,消能器发挥的作用就小了。其破坏主要集中在墙肢的根部。先是受弯屈服,继而两侧混凝土压溃,钢筋屈曲,最后直接丧失了抗剪承载力。

1.png中间消能墙的墙肢相对较短,刚度较大,墙肢也没有发生弯曲屈服,因此墙肢弯形所占比重较小;但祸福相倚,中间消能墙的破坏主要表现为消能器连接部位的损伤。在试验后期层间位移角较大时,消能器索性因为连接破坏而退出了工作。


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在底部消能墙和中间消能墙中,墙肢的总剪力相近,连接节点的栓钉设计和墙肢的配筋设计也相同,为什么底部消能墙的连接节点没事儿,而中间消能墙的连接节点碎成渣渣了呢?
一个猜想是:正因为中间消能墙的两截RC墙肢短,刚度大,所以为消能器提供了更大的转动约束。一方面,这当然有利于使变形集中于消能器,提升减震效率;但另一方面,也增大了对消能器连接节点(即栓钉群)的受弯承载力需求。


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然而,在设计之初并没有考虑栓钉群在弯剪耦合作用下的承载力验算,而仅仅验算了其受剪承载力。中间消能墙的消能器连接部位最终的锥状破坏形态也印证了这一猜想。

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不得不说,这是一个设计失误,多么悲伤。
然而这仍然只是一个猜想,它可能解释了全部原因,也可能只解释了部分原因。不过,即使是一次失败的尝试,也仍然要写出来,以供大家批判。


文章已获转载权,转载至微信公众号【哲设计】 ,作者曲哲

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