假如建筑瞬间失去所有混凝土,那么它的强度……
变形结构侠
2015年04月01日 16:22:00
只看楼主

转自:知乎 (原作者:猪小宝)提问:当一个钢筋混凝土的房子突然间去掉所有混凝土只剩下钢筋的话,那么它的强度会受何影响?纯属脑洞yy,本来想混凝土包围着钢筋也起到着加强的作用,但是仔细一想混凝土强度不如钢筋,但是体积却远比钢筋大,重量一定很重,这样一来去掉混凝土的话整体的强度是否会提高?回答:如果突然之间,所有的混凝土都没了,只剩下钢筋,钢筋混凝土结构的受力性能会怎么样? 桥墩一下就变这样了。


转自:知乎 (原作者:猪小宝)

提问:当一个钢筋混凝土的房子突然间去掉所有混凝土只剩下钢筋的话,那么它的强度会受何影响?

纯属脑洞yy,本来想混凝土包围着钢筋也起到着加强的作用,但是仔细一想混凝土强度不如钢筋,但是体积却远比钢筋大,重量一定很重,这样一来去掉混凝土的话整体的强度是否会提高?

回答:如果突然之间,所有的混凝土都没了,只剩下钢筋,钢筋混凝土结构的受力性能会怎么样?

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桥墩一下就变这样了。
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挡土墙瞬间变这样。
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桥面板变成了这个样子。
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柱子成了这样的。
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基础底板变成了这样。

首先,这些钢筋混凝土结构的功能肯定都丧失了。没有了混凝土,也就没有了依附其上的沥青什么的,我不敢想象汽车直接行驶在钢筋笼子上面的样子。没有了混凝土,建筑物的楼板也变成了钢筋网,隔音、保温都是空谈,防水更是无从谈起,连家具都没地方放,桌子腿直接就掉进钢筋网里了。很多时候,混凝土所起到的并不仅仅是结构作用,顺带着还有别的很重要的功能性的作用。

其次,如果这些功能性的问题我们都不考虑,只考虑受力性能的话,那么我们就又得分开来考虑了。比如说,混凝土都没了,但我铺上木板代替楼板、铺上钢板来代替桥面板,维持功能性的作用。这个时候,这些钢筋骨架还能维持原来的「强度」吗?

「强度」strength 这个词含义很模糊,更多的时候可能是指材料本身的性质。对于结构来说,我们可以用「承载力」来定义,也就是 load capacity。对于承载力而言,我们既要考虑构件层面的承载力,也要衡量体系层面的承载力。

对构件层面而言,混凝土构件的抗拉、抗扭承载能力基本不考虑混凝土的作用,完全由钢筋承担,看上去几乎不受影响。但是要注意的是,虽然计算中不考虑混凝土的作用,但实际上钢筋的搭接绑扎需要混凝土的握裹,否则不能可靠的传递拉力。所以实际上的抗拉能力会大幅下降。但如果钢筋全部采用机械连接或者焊接,对抗拉能力的影响会小一些。抗扭能力的来源是纵筋和箍筋抗拉、混凝土抗压组成的立体桁架,失去混凝土,对抗扭的影响可能会比较大。

对于抗压能力而言,混凝土承担了大多数份额的压力,失去混凝土之后,变成只有钢筋自身的受压承载力,所以会大幅下降。另外,失去混凝土的约束,受压钢筋可能会发生失稳,也就是 buckling,受压承载力会进一步下降。但是,对于一般的建筑结构而言,自身重力引起的压力占了很大的比例,而混凝土是自身重力的大头,如果混凝土都没了,自身重力大幅下降,导致构件里的压力也会下降。也就是说,抗压能力变小了,但是需要承担的压力也变小了。对于工业建筑、桥梁等而言,自身重力占压力的比例较小,所以对承载力的削弱更明显,因为能力大幅消减,但是需要承载的压力减少的并不多。
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抗剪能力相对要复杂一些。从上图抗剪承载力的来源来看,看上去钢筋的承载力 Vs 占了一大半,混凝土提供的承载力 Vcy 占了一小半。如果去掉混凝土,还能剩下占总数一多半的 Vs。但事实上,跟抗扭类似,抗剪时钢筋和混凝土这两者是共同作用的,类似一个桁架,混凝土是斜向受压腹杆,上下纵筋是上下弦杆,箍筋是竖向受拉腹杆。如果去掉斜向压杆,桁架就不复存在了,受剪承载力也剧烈下降。

最后是抗弯能力。钢筋混凝土构件抗弯的极限承载力,靠的是钢筋受拉和混凝土受压。如果没有混凝土,压力只能由受压区的钢筋承担。对于对称配筋的柱子可能影响不大,但也存在压筋屈曲失稳的问题。对于绝大多数梁来说,一般受压区的钢筋要远小于受拉区,所以抗弯能力会下降许多。另外,没有了混凝土,受压钢筋、受拉钢筋的位置只能靠箍筋来固定,很可能会发生错位、移动,导致内力臂减小,进一步削弱抗弯承载力。

看完了构件层面的承载力,接下来该看体系层面的承载力了。对于大多数现浇混凝土结构而言,失去了混凝土,节点的承载力大打折扣,甚至可能形同虚设。框架梁柱节点不能可靠的分配、传递弯矩,整个体系的受力性能也会大受影响。

对于预制混凝土结构,比如很多公路桥梁、工业建筑等等,支座、节点等等很多也都要靠混凝土承压、锚固,所以失去混凝土同样会极大的削弱节点承载力,整个装配式结构散架成一堆摇摇欲坠的钢筋。

另外,我们讨论的只是承载能力,或者说 strength。对于结构来说,strength 并不是全部,我们还需要足够的 stiffness 刚度和 stability 稳定性。失去了混凝土,抗侧刚度会大幅下降,整体抗侧性能会发生天翻地覆的变化。钢筋混凝土楼板因为没有了混凝土,面内刚度大大降低,无法起到刚性隔板的作用,刚性楼板的假定不再成立,侧向水平力的分配也会发生很大的变化。有些结构,比如地下车库等等,需要靠自重来平衡地下水的浮力,失去了混凝土,可能就会失去平衡,甚至会整体或者局部上浮。

事实上,如果一定要去掉混凝土的话,部分早期的型钢混凝土结构是不考虑混凝土部分的结构性能的。也就是说,在这些结构里,混凝土仅仅作为钢结构的面层,起到防火、防锈的作用。后来,大家觉得反正要用混凝土,干嘛不利用一下混凝土的结构性能呢,岂不是可以大大提高效能。所以现在的大多数型钢混凝土结构,混凝土依然起着结构作用。跟钢筋混凝土结构一样,去掉混凝土,型钢混凝土结构的结构性能依然会大受影响。

型钢混凝土结构虽然比钢筋混凝土贵,优点也很明显。型钢混凝土的型钢骨架可以独立承担结构自重和施工荷载,施工过程不需要太多的临时支撑,自身的型钢骨架就可以作为施工支撑,因此施工进度大大加快,所需要的工作量也大大减小。等混凝土凝固、强度形成之后,型钢骨架和混凝土部分共同承担结构活载。由于这种结构减少了施工时间和施工工作量,对于时间就是金钱的投资项目、人工费用高昂的地区都是很大的利好。也就是说,在型钢混凝土结构里,混凝土在凝固之前起不到任何结构作用,没有任何强度,这些未凝固的混凝土的重量都由型钢骨架承担。等到混凝土凝固之后,整个结构变成最终的型钢加混凝土的合体,共同承担除了自重之外的荷载,比如家具、人、设备、风、地震等等。


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牛逼闪闪放光芒
2015年04月01日 16:36:54
2楼
楼主臆想了吧?突然失去了混凝土,钢筋端头何谈锚固呢?
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flymain
2015年04月02日 11:02:20
3楼
不用想 ,垮了
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light88
2015年04月02日 14:14:05
4楼
楼主的脑洞为何这么大
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leilin
2015年04月05日 11:25:31
5楼
钢筋混凝土怎么缺得了砼呢
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wht880225
2015年04月06日 11:09:12
6楼
楼主太有意思了,这情况发生了世界就完了
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狮子座13456
2015年04月08日 11:08:12
7楼
感谢各位结构前辈的无私奉献,路过留帖是美德!
受压怎么办?
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whw5014
2015年04月08日 16:37:57
8楼
有点想法啊,不过终究不现实啊
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qq_1428110576036
2015年04月09日 09:00:12
9楼
都没有受压区了
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co1428504736560
2015年04月11日 17:23:39
10楼
有点想多了 如果没了钢筋呢 钢筋造价要比混凝土高吧
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jinying198
2015年04月15日 11:29:12
11楼
脑洞这么大搞建筑结构可惜了
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