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“强梁弱柱”与应力分流
bjdtm2001






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2011-8-9 13:51    QQ 顶部


最近去听新规范讲座,专家在讲到“强柱弱梁”这块内容时都感慨颇深,提到2008年汶川地震的震害。我也觉得有继续思考的必要,把这个沉了多年的问题再搬出来和大家探讨探讨。主要是联系了一些生活经验,想到了一些新观点,大家看看给拍拍砖。

    “强梁弱柱”,一方面是我们在设计时没考虑楼板钢筋或者按T形截面计算却按矩形截面设计把梁的配筋和极限承载力搞大了。这里不具体展开了。这里主要想探讨的是一个二维楼盖结构动力的影响因素。

       根据生活经验,如果在梁上盖了一块板,然后去晃它,你会发现这个体系的刚度是很大的,其受力特点是很微妙的。再类比我们的结构,柱传给梁内力产生的应力流被楼板吸收传递分解掉。个人认为,应力流被楼板吸收分流是导致“强梁弱柱”破坏机制的主要原因。其它因素的原因肯定多多少少都有影响,但不是最主要的。

    快速动力荷载作用下,一维杆件(梁、柱)的受力问题我们研究的比较成熟,然而二维构件(楼板、墙)的受力问题可能还存在一些我们未认识充分的地方。为了说明上述应力流分散的原理,我举一个可能不太贴切的生活例子:打网球时候,网球的速度是非常快的,然而只要它触碰到球场中央的球网,会发生什么现象?球速在很短时间内降低到零。而此时的球网只是发生了一些晃动,不久就静止下来。那么,网球的动能跑到哪里去了呢?显然是被球网吸收掉了,但为何球网很快也静止下来了呢?原因就在于网球冲击产生的振动在球网平面内以二维波的形式扩散掉了,球网材料的阻尼比较大,因此波动产生的能量很快就被耗散掉了。用这个例子来类比柱子和楼盖的关系,在地震快速加载下,柱子传递来的内力对于二维楼盖结构而言就类似于“网球”的冲击力,而楼板就类似于“球网”。大家可以体会一下会发生什么情况。当然,土木材料的刚度是很大的,网球这个例子来类比可能不是很准确,但这说明了一个有趣的动力学现象。我也不知道该怎么称呼这种现象,就简称应力流分散吧。如果这种现象确实存在而且是导致“强梁弱柱”的主要原因,那么将导出一个令人难以接受的推论:楼板越薄、梁刚度越小,“强梁弱柱”现象越显著。这是因为柔性楼盖结构的振动耗能显然比刚性楼盖大得多,再类比网球的那个例子,球网越柔,不是越有利于降低球速吗?刚性的球网,网球碰到后就反弹回来了。说到底,还是一个动力学的问题,二维构件的动力学问题还有很多值得深究的地方。
   
    我总感觉,动力学问题和静力学问题有很多不同的地方,动力学可以统一静力学,但静力学的结论不一定能普遍适用于动力学。

    欢迎有兴趣的朋友看看,特别是这个生活中的动力学物理现象,能否联系到我们实际土木结构中?

bjdtm2001 修改于2011-08-09 13:57
ywluck






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帖子 166
2011-8-9 15:42    顶部
可以知道,楼主是一个善于思考的人,但是对于这个结论“...楼板越薄、梁刚度越小,“强梁弱柱”现象越显著。...”本人持有不同意见。这可能与你的比喻有所不恰当所致。观点如下:
1、地震作用水平侧向的,基本是与楼板方向是平行的,当然这里不考虑竖向地震作用;而网球对球拍的作用是垂直球拍平面的,二者进行类比显然是不正确的,从而导致错误结论。
2、楼板薄的话,或者说刚度小的话,结构的变形能力会大(适筋构件,延性破坏情况),但是如果太薄的话,结构的变形就太大了,往往就不可接受了。早上上个世纪初,日本的一些研究学者就有过“柔度法”和“刚度法”的争论。个人感觉把握好其中的一个“度”才是最佳的做法,其实规范的做法就是一个“度”的很好体现,既有强度的计算,又有延性的保证。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-8-10 10:30    QQ 顶部
感谢YWLuck的热心探讨,你说的两点都很有道理。可能是我没表达清楚的缘故,这里补充说明一些:
 强梁弱柱震害的一个非常关键现象在于柱端压溃而梁端没有裂缝。梁端为何没有裂缝?需要一个合理的解释。节点弯矩平衡,柱端有多大弯矩,梁端就要有多大。这是最基本的力学原理。梁端没有裂缝,说明梁端的开裂弯矩要远大于柱端的极限弯矩。梁一直处于弹性状态。这个现象非常重要,可以说是问题的关键所在!原因只能在于整浇楼盖的作用。那究竟是什么作用未被我们认识。静力上,整浇楼板对框架梁巨大的卸荷和增强作用是明显的(傅学怡老师很早以前发表过的论文),一方面柱端传递来的弯矩产生的应力流有相当部分被楼板吸收分流,梁实际分配到的弯矩只有60%左右。另一方面,梁的承载力得到了楼板的极大增强。考虑楼盖空间体系的作用,增强作用将更加明显!
强梁弱柱现象在全世界范围都发生过,包括美国等抗震发达国家。整浇楼盖的效应还有更多我们未认识到的地方。其中就包括动力方面的振动现象。楼板二维平面振动波的传递可能导致卸荷效应更加显著。当然,这需要试验来分析。上面帖子的例子可能不贴切,但主要为了说明存在这样一种动力学现象。
欢迎继续探讨,不对之处欢迎批评指正。



提问是一种乐趣,分享是一种快乐
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-8-17 14:35    QQ 顶部
有时总感觉自己对“强梁弱柱”问题讲得太罗嗦了,写了一堆东西,不如用一两句话来总结自己对这个问题的理解吧:
一句话结论:整浇楼盖要实现“强柱弱梁”、梁铰机制十分困难

事物都是两面性的,预制楼板的整体性差,其抗震性能大家都有目共睹了。现在,现浇板的整体性好了,但又导致了一个麻烦的问题——强柱弱梁的设计理念难以得以实现。如果硬要在整浇楼盖体系内实现强柱弱梁的话,我估计代价会很大(例如,把柱弯矩放大系数要提高到惊人水平,加大柱子截面和配筋等等,这些还一定能够保证塑性铰优先出现在梁端,特别是在地震这样的复杂动力作用下)。

如果整浇楼盖强柱弱梁难以实现,那这下问题就闹大了:我们做抗震弹塑性分析都是假定梁端先出现塑性铰,然后在建立在这个假定的基础上进行一系列分析。如果整浇楼盖偏偏“阻挠”了我们的这个基本假定的合理性,使得我们的这个基本假定在实际情况下不能或者说很难实现,那真得要糟糕了,我们花了大量心血得来的理论体系,偏偏在这个基本假定上出了问题,那后果会怎么样?我不敢想象了。。这个问题还有待研究,希望能早日看到这方面的新研究成果。

斗胆妄言,希望大家批评指正。
代号农民工






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帖子 23
2011-9-23 23:11    顶部
是不是强节点强锚固没做好?或者可以以柔克刚,在柱端加个阻尼器的
lugy234






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帖子 19
2011-9-24 07:33    顶部
感觉要是真实现计算简化机制对于整浇楼盖的梁铰机制十分困难,因此对于大震下楼的动力学行为机制仍需要深入的探讨研究
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-9-24 19:38    QQ 顶部
lugy234 wrote:
感觉要是真实现计算简化机制对于整浇楼盖的梁铰机制十分困难,因此对于大震下楼的动力学行为机制仍需要深入的探讨研究

最近粗略查阅了些2008年汶川地震以来关于“强梁弱柱”方面的论文。观点非常多,不少专家学者也进行了深入的研究,包括数值方面的、实验室试验的,不少论文提出了产生强梁弱柱的新观点。
传统的统一的认识还是是整浇楼板对梁承载力和刚度的增强作用。但究竟能增强多少,我还没用见到非常详细深入的研究文献。上世纪90年代时候有学者研究过这个问题,结论是板内分布钢筋对梁承载力提高在30%左右,看来确实是非常大的。
还有关于梁柱线刚度比对屈服机制的研究;双向地震对梁柱屈服机制的研究;考虑板内分布钢筋参与梁端承载力设计方法的研究等等。应该说,研究资料是十分丰富的。


      可惜的是,还未见到关于整浇楼盖空间工作性能试验方面的研究,特别是振动台试验的研究文献。个人认为是一个遗憾。现在关键问题已经明确是整浇楼板的作用,因此研究的重点就应该是楼盖体系的空间工作性能。我觉得应该有必要知道以下几个问题的答案:
(1)构件上看,在静力层次,整浇楼板及分布钢筋究竟对梁的承载力和刚度有多大影响?需要一个定量的结论。
(2)整浇楼板作为梁翼缘的宽度,个人认为有必要修正。原先规范给出的有效宽度有待进一步验证。特别是考该楼盖空间工作性能后,这个有效宽度是否还成立。
(3)结构层次上,特别是在动力荷载作用下,楼板、框架梁、框架柱的内力/应力分布究竟是怎样的?在模拟地震振动台上进行试验,梁、板内的钢筋的应力状态究竟如何?进入屈服了没有?从汶川震害节点图片上看,柱主筋显然已经屈服,梁没有裂缝说明砼尚未达到抗拉强度,梁钢筋的应力水平必然也很低。这里面究竟是何原因导致?
      个人认为“强梁弱柱”问题,最为有效的方法还是空间足尺模型的振动台试验。国内可能还比较困难,日本的E-defence可以做足尺模型。按规范设计的框架结构上去,输入汶川地震波,测量钢筋应力分布、砼应力分布;裂缝、变形全过程发展,最终加载到极限破坏状态。很多问题的答案就出来了。
       我估计日本人肯定是做过的足尺模型的,把他们的论文调过来看一下,说不定也能发现问题,省得我们瞎绕弯路。但值得注意一个有趣的现象,在日本的设计规范里面,有“强剪弱弯”的剪力放大系数,却没有“强柱弱梁”的柱端弯矩放大系数,日本设计规范直接采用不经放大的柱端弯矩设计值进行柱配筋设计。有兴趣的朋友可以查查看。

     以上个人愚见,欢迎大家探讨,提意见:)
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-9-26 11:58    QQ 顶部
看到前面一个帖子关于日本E-defense振动台的内容,联想到以前曾经听一位日本专家ppt报告,里面就看到了一个五层框架结构的足尺模型振动台试验录像。这个试验着实令我感到震撼。
       据目测,振动台面尺寸至少在15m*20m,所以足够以放下一个足尺建筑。振动台输入地震波按95年阪神大地震水准,并且双向输入。从录像中可以清晰地看到,破坏集中在底层柱,特别是由于腰墙和顶壁对框架柱的侧移约束,使得框架柱发生了明显的“短柱”X型剪切破坏。从录像记录的过程中可以看到:第一次左震和右震时,在混凝土柱的中部分别出现两道斜向裂缝,第二次、第三次左、右振动时,保护层混凝土已大量剥落。可以想象,当地震强度继续增加时,钢筋将失去约束而被压曲。这或许就是08年汶川地震中“灯笼状”柱破坏的形成过程吧。不过,从录像上看,梁在整个过程中确实没有明显的裂缝,破坏基本都集中在柱子上了。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-9-27 12:06    QQ 顶部
感谢redstone256 提供的日本E-defense振动台资料:http://www.bosai.go.jp/hyogo/research/movie/movie.html
看了以后长见识不少,得承认日本足尺模型的振动台试验确实做得比较先进了。
这里将日本2006年做过第一个6层框剪结构模型的振动台试验全过程录像截图上来,供大家参考。
6层框-剪结构,总高16.0m;平面尺寸:12m*16m;结构总重990tonf;按日本1970年代规范设计。输入地震波主震采用100%Kobe波(三向输入),余震采用60%Kobe波。
破坏主要集中在底层柱,其中柱由于底部腰墙的作用形成形成短柱效应,产生严重的剪切破坏。但值得注意的是,整个过程中梁没有发生明显的破坏,仅是在沿节点端部出现了一定的竖向裂缝,尽管柱子的断面已经做得很大了。这个现象值得深思。























铁成钢






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帖子 136
2011-9-28 16:56    顶部
非常高兴看到实验过程的图片。对于楼主提出的问题,很值得研究和思考。

从实验图片看,柱子的破坏主要是剪切所致。当然,不为纯剪切。很值得研究的是受弯曲、剪切和压力作用的柱其强度公式是什么?规范中,仅将该问题分开来分析,主要讨论剪切强度公式,这似乎不合适。但确实找不到任何其他的公式可用。

在柱子的端部,承受弯曲、剪力和压力三者相互作用,为什么仅考虑剪切?给出的考虑压力的强度公式确实也是很费解。不符合材料力学中强度理论。另外,楼主提出的解释---需要两维(甚至三维)分析也很重要,的确如此,正在按楼主的思想解决楼板对梁承载影响问题。不能在糊里糊涂地用乘2或1。5倍刚度解决该问题了。
铁成钢






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帖子 136
2011-10-2 09:34    顶部
经过几天的思考,对于楼主问题似乎有些答案,等成熟后发表。

不过看过方鄂华的《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》一书,发现实际震害中构件破坏很少提到梁的破坏,多为柱的破坏和剪力墙破坏。这是否说明,实际不用担心发生“强弯弱剪”这类问题了?因为实际震害当中由于楼板的强化作用,根本不发生梁的破坏。担心发生“强弯弱剪”是否多余?相反,应多多加强关于如何实现“强柱弱梁”的问题。不知楼主有何见解?
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-10-2 22:02    QQ 顶部
刚村一朗 wrote:
经过几天的思考,对于楼主问题似乎有些答案,等成熟后发表。

不过看过方鄂华的《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》一书,发现实际震害中构件破坏很少提到梁的破坏,多为柱的破坏和剪力墙破坏。这是否说明,实际不用担心发生“ ...

我还不太理解你的意思。"强剪弱弯"是控制构件的破坏形态,剪切破坏不能先于弯曲破坏产生,因为剪切破坏是脆性的,而弯曲破坏一般是延性的,所以在延性概念设计范畴内,对于所有构件(柱、墙、梁、板)都要力求做到"强剪弱弯"。这与“强柱弱梁”没有直接的关系。“强柱弱梁”是为了控制结构的屈服机制,使梁端优先出现塑性铰耗散地震能量,而如果柱端率先出现塑性铰则结构则成为机构,很容易发生倒塌破坏。

“强柱弱梁”是延性结构设计理论的一个很重要的要求,如果在实际震害中不能实现或者很难实现,则整个理论的很多结论都会受到挑战。无论从汶川地震震害,还是日本的这个空间足尺建筑的振动台试验来看,给我的印象是整浇楼盖的“强柱弱梁”设计理念很难得以实现。

至于为何会产生这样的震害现象,原因肯定是多方面的。但我总感觉从力学上看,梁板体系的空间作用似乎是最主要的。一张纸很柔,但你要把纸折几道折,那么刚度就明显增加上去了。实际结构,压型钢板不就是利用这个原理吗?从日本振动台试验的全过程来看,梁板体系(楼盖)的刚度是相当大的,几乎相当于刚体运动,相比之下作为竖向构件的柱总是偏不利偏弱的。要想梁出现塑性铰,板就必须要先进入塑性,但板这种构件在地震作用下的受力却又是非常微妙的。在所有震害中很少看到板破坏的情况。我们在设计中,板基本上是不考虑抗震的,但板在实际震害中又偏偏没出现问题,这不是说我们设计的板就足够安全,而更应该说明板这种二维构件在地震作用下的受力机理存在很微妙的地方。梁板整浇,板难以出现塑性,梁就更难。梁板体系在地震下的受力机理有待挖掘。
我现在难以理解的是,从力学上讲,节点弯矩平衡,柱端弯矩有多大,梁端就要有多大,但梁又偏偏没有明显裂缝出现,砼开裂姑且都这么困难,更何况使梁的主筋进入屈服而形成塑性铰了。从日本的试验上看,强震下砼几乎都是很快地“崩”出来的,特别是保护层的砼在强震下很快地就压碎崩裂了,主筋范围内的砼经过若干此往复振动也压碎崩裂出来了。我总感觉砼材料在地震的快速加载条件下的力学性能和静力加载很不相同!似乎存在一种类似岩土材料的“剪胀”效应,具体我也说不清楚,但从概念上想,砼材料的变形能力太有限,骨料和水泥胶体吸收不了太多的能量就会发生脆性断裂,从而导致砼成块崩落,特别是在快速动力加载机制下,这种现象更加明显。砼材料这个现象很重要,但却很难研究。钢结构则不同,钢材材质的均一性和延性可以提供较大的变形耗能能力,所以钢结构的延性耗能比砼结构更好些。

个人认为,如果“强梁弱柱”现象不能很好地解决,则钢筋砼结构的“延性框架“设计理论将受到很大挑战。

以上不对之处,欢迎大家指正。
bjdtm2001 修改于2011-10-02 22:05
铁成钢






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帖子 136
2011-10-3 09:05    顶部
赞成楼主的意见。我已基本搞清楚楼板在地震中的重要作用。

我所讲的是,理论上的两条抗震原则:强剪弱弯、强柱弱梁。根据实际地震灾害结果,其中第一条似乎用处不大,很少发生违背该原则的事故发生。而实际震害又表明,无法避免。因此,对于这两条原则,尽管规范规定了许多条文,但实际震害却表明,一切规定均是“浮云”,一点作用也没有。该发生的照样发生,不该发生的永远也不发生,那么规范中的条文规定还有什么用?

在方鄂华的书中,列出了几种重要震害,包括:场地、结构刚度、结构刚度不均匀、顶部鞭梢效应、结构碰撞、结构冗余度、柱端、剪力墙等。可见涉及结构构件破坏的只有:柱和剪力墙,其它为结构破坏。尽管该总结未必全面,但很有代表性。由此可见,作为结构重要构件之一的梁,未被列入震害之中,这在一定程度上说明,实际震害中梁的破坏性较少。因此,对于“强剪弱弯”原则是否可以不再作为一项抗震原则,我持支持态度。

至于柱的破坏,与你意见一致,我也怀疑是柱端混凝土的力学性质不行所致。这一点还可以看看最近清华大学所做的柱的实验所证实,(注:该实验正在本站台搞竞赛活动,有实验视频)。混凝土在往复载荷作用下,很可能很脆弱,远不如其单向加载强。这也许是柱端部破坏的原因。至于与其相连的梁不破坏的原因是由于楼板的强化作用,使得梁受到的载荷(与柱相比)很小所致。为此,我还曾在清华征集关于框架实验的的竞赛的帖子中,指出其实验的价值不大,因为其实验中没有楼板,这与实际情况相差较大。因为楼板对于梁的承载影响较大,而实验中没有楼板,那么实验就不能模拟实际工程,因此,实验的价值就大大折扣。不仅我认识到该问题,其他人也有指疑其实验的价值。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-10-3 19:14    QQ 顶部
刚村一朗 wrote:
赞成楼主的意见。我已基本搞清楚楼板在地震中的重要作用。

我所讲的是,理论上的两条抗震原则:强剪弱弯、强柱弱梁。根据实际地震灾害结果,其中第一条似乎用处不大,很少发生违背该原则的事故发生。而实际震害又表明,无法避 ...

谢谢您的探讨,很多观点我都赞同。楼板的在“强梁弱柱”现象中的重要作用是毋庸置疑的。但如何去研究它,需要深入考虑。个人认为,首先试验方法是最重要的方法,数值方法宜作为补充参考。其次,一定要是空间结构模型,单独取一榀框架来研究强柱弱梁是没有太大价值的。再次,试验方法上,几种手段,单向加载?低周往复加载?拟动力加载?振动台试验?振动台试验应该是最接近真实地震作用的方法,但毕竟成本太大。个人认为,哪怕是单向加载也能反映不少楼盖体系的受力性能机理来,不一定要采用更高层次的试验方法。但如果要更为准确地研究真实地震作用下,强梁弱柱的产生机理的话,我觉得还是需要振动台。曾查过一篇论文,研究“强梁弱柱”的方法十分特别且很巧妙,是一栋新建框架结构,由于地基条件导致整体侧倾,斜率甚至超过了抗震规定大震下1/50的层间位移限值,根据作者的观察,梁板几乎没有裂缝,裂缝均集中在柱端上。这篇论文似乎已能够说明不少定量的问题。

但有一点值得商榷,刚村一郎所述“理论上的两条抗震原则:强剪弱弯、强柱弱梁。根据实际地震灾害结果,其中第一条似乎用处不大很少发生违背该原则的事故发生。”  汶川地震震害中,剪切破坏发生还是比较多的,例如不少框-剪结构的剪力墙连梁,就产生了X型剪切裂缝;此外,由于填充墙导致的短柱破坏也较普遍。这些都是剪切破坏的实例,因此不能说强剪弱弯用处不大了,控制剪切破坏还是很有需要的。

欢迎继续探讨:)
铁成钢






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帖子 136
2011-10-4 10:06    顶部
赞同你所提的实验方案,这是研究该问题的根本所在。那么,现在最关键问题的是实验所用钱的问题。在当今的中国,申请研究经费是一件很耐人寻味的事情。祝愿你能尽快申请到经费支持。

我现在经过几天的思考,从理论上我能够判断大概是哪些因素决定楼板效应了。

是的,你所举例子(连梁的破坏)是梁破坏的例子。这里问题是设计连梁时,就是按其先于剪力墙的原则设计的,因此,连梁破坏按理说应当是很自然的事情,也是设计者想要的结果。关于短柱是设计应当避免的,发生破坏也是预先能够预知的。因为这些都是设计所能够预知的结果,因此我没有考虑这些破坏。

而“强梁弱柱”现象是设计者不希望看到的现象,设计时想尽办法避免,但还是发生了,这是问题的关键。为什么发生?原因何在?规范中的各种措施难道一点用处也没有吗?有多大用处?规范给出的措施是否没有找到问题的根本原因?一系列问题值得深思。可叹的是,对此深入认识的不多。看到楼主的帖子,终于有共同认识的感觉,因此,将所思所想写出来,供探讨。

自从汶川地震后,以及前些日子发生的日本地震,我一直在思考我国的抗震有那些问题。尽管看了许多人对汶川地震进行了总结,但有深思的人却少之又少,大多是咒骂没有按规范设计所致。可曾想过,哪些按规范设计的建筑为什么也破坏呢?深思的人少,象楼主这样想解决措施的人更少有,因此,看到帖子,很有价值。希望引起人们的注意,共同为我们的人民住上安全的建筑而努力。
fazing






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帖子 214
2011-10-11 22:09    顶部
  实验再做下去,可能就会推倒很多以前“正确”结论和做法。  


   也许有一天我们会认识到我们对地震作用的计算根本就是错的,结构动力学用到房子抗震是存在问题的。



       刚才看了日本人做的实验视频,结合实际地震震害,可以看到:

   1  柱基本上都是底层破坏,这说明我们的设计出来的柱,可靠度不一样啊。
   
   2  底层因地震摆动而破坏,而上部只是跟着底部做整体摆动,上层摆动不会造成破坏,下层实际上是上层的隔震层。  我们对地震作用的认识与计算方法值的检讨。
  
    像楼主所说的那样,我们应该从生活中的例子和实际地震中,重新认识地震作用。而不是从结构动力学来计算地震作用。
    说句不好的话:我们规范对地震作用的计算本身 就承认其是不准确的,如规定要计算最小地震作用系数,为什么要规定这个?难道不是间接承认这种计算方法是有问题的。不像静力学多少就是多少,不存在这样的想不通的系数。



几个想法:  


1   上面有人提到,在地震作工况下,梁要不要强调强剪弱弯;梁在地震下都不破坏,有必要强调这个吗?

2  是不是所有的柱都要强调强柱弱梁,不同层区别对待;同层柱有重点的加强一部分,而且这个调整系数应该比以前更大,这样可能在同样的成本比所有的柱都一样更有好处,更容易做到大震不倒。

3  在对楼板的作用有更深的认识之前  ,暂时能不能对于梁端部分楼板进行开洞后浇注处理。  这个想法有点。。。。哈
fazing 修改于2011-10-11 22:33
zsw2100






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帖子 54
2011-10-12 12:09    顶部
关注这个帖子很久了,总觉得自己没有理解到关键点,一直没敢说话,怕说错。

bjdtm2001 :
“强梁弱柱”,一方面是我们在设计时没考虑楼板钢筋或者按T形截面计算却按矩形截面设计把梁的配筋和极限承载力搞大了。这里不具体展开了。这里主要想探讨的是一个二维楼盖结构动力的影响因素。

我先说明我的前提。“应力流”我可以理解为应力波吗?“应力分流”是否可以理解为应力波分散?
如果可以的话那好,再说说"快速动力荷载",地震作用倒是可以理解成一个个离散的冲击荷载作用,但这种冲击似乎与应力波的传递速度差的很远。而梁柱之间的响应更加依赖的是结构的在地震下的响应,怎么描述呢,在地震作用下,高层建筑是以一个较低的频率荒来晃去,梁柱之间的弯矩时程就差不多以这个频率在变化(这个不难想象吧),这个频率有多大,应该也就相当于基频的量级吧(当然也有高频影响,那也只不过是弯矩时程曲线上的“毛刺”)。在这个时间量级的运动中我觉得考虑阻尼就足够了,最主要的还是梁、板、柱之间的内力分配问题,而不用再考虑结构动力因素,或者它不会是主要问题。
网球面由于预紧力非常大,一般都会拉到60磅。它的震动频率与结构在地震下的响应差的太多了。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-10-13 14:47    QQ 顶部
zsw2100 wrote:
关注这个帖子很久了,总觉得自己没有理解到关键点,一直没敢说话,怕说错。

bjdtm2001 :
“强梁弱柱”,一方面是我们在设计时没考虑楼板钢筋或者按T形截面计算却按矩形截面设计把梁的配筋和极限承载力搞大了。这里不具体展开 ...

感谢zsw2100的探讨。
1、首先,我这里给出一个以应变率为标准进行划分的动荷载方法:
收缩、徐变:应变率10-9~10-7
一般静力荷载:应变率10-7~10-6
地震作用:应变率10-4~10-2
冲击荷载:应变率10-1~100
这样看来,地震作用的应变率介于一般静力荷载与冲击荷载之间

2、我1#楼帖子的“应力流”有两种含义:在静力状态下,“应力流”指梁板中的应力场分布状态;在动荷载状态下,则可以转化为平面波的传递。当然,这个名词我并没有去查阅文献十分准确地给出来,只是为了阐述问题方便而言。
从日本E-defense足尺建筑模型振动台试验的录像来看,楼板似乎并没有发生很明显的振动现象这可能与整浇梁板体系的刚度比较大有关。但我还是坚持认为,楼板这种构件在动力荷载作用下的振动问题(应力波扩散问题)一定是有关的。举个日常生活的例子:我们平时的住宅楼,人在上面跳,楼板就会发生明显的上下震颤,完全可以感觉出来,楼板跨度越大,板厚越薄,这种震颤现象越明显。在竖向地震作用下,楼板肯定在振动。而在水平地震作用下,楼板也可以通过柱传递来的平面外弯矩发生震颤现象。我这里想问一个问题:楼板震颤到最终停止的过程中,能量发生了怎样的转化?
目前尚不知道日本学者在振动台试验中是否有特意去测楼板振动加速度;如果有,则可以说明这个问题。但我坚持认为,在地震作用下楼板振动现象是存在的。但至于它对“强梁弱柱”破坏的影响大小,则需要进一步研究。

3、高层建筑的振动频率问题:从整体上看,地震作用下高层建筑由于整体刚度较柔,因此自振周期也较大。所以,从试验上看,整个建筑确实是以较低的频率来回晃动。这个问题我是这样认为的,结构破坏主要集中在底层(薄弱层),我们把研究对象集中到高层建筑的底层,由于底层嵌固(假定地下室顶板可作为嵌固端),从而底层竖向构件的振动加速度与地面基本相同,此时的应变率应该还是比较大的

4、网球拍的例子来比喻实际建筑中的楼盖确实不太贴切。在振动频率上,两者确实相差很多。但我用这个例子的目的主要想来说明一个问题,就是动力状态下二维构件(板)的卸荷效应。这个卸荷效应究竟是怎样的过程?机理是怎样的?对“强梁弱柱”的影响有多大?这些问题的答案需要研究。

最后我再瞎扯几句题外话吧:我们设计时候楼板几乎都是按非抗震设计考虑的,但实际震害楼板却极少出现明显震害,这说明了什么问题?我觉得这种现象正说明了二维构件在动力状态下有很多奇妙的东西值得去挖掘。

欢迎继续探讨,以上不对之处望指正。
bjdtm2001 修改于2011-10-13 14:48
zsw2100






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2011-10-13 18:53    顶部
感谢楼主的回复。
虽然很遗憾与您持有不同的观点,但这样的讨论还真的让人兴奋。我是学力学的,所以看问题的出发点可能跟结构背景的人不同,加之水平有限,如有不到的地方还请原谅。
抛开“强柱弱梁”问题不谈了。我说说应力波吧(以前没学好,现在只能凭记忆说了):

1,应力波的基本问题是考虑质量微元的惯性作用。

2,什么情况下要计及应力波作用:
    对冲击荷载下的可变性的固体,由于在应力波传过物体长度所需的时间同量级或更小的时间尺度上,荷载发生了显著变化,甚至作用完毕,就必须考虑应力波的传递过程。(无论你的加载速度怎样,应力波都是存在的,但只有接近上述描述,应力波的作用才表现出来,而被考虑。)
    什么是显著变化呢?如:在极短的时间内荷载由0到最大值(或者再到0,表征作用由有到最大再到无),极短的时间大概就是波穿过固体所用的时间。如子弹以100m/s的速度穿过0.01m的钢板,作用时间仅0.0001s。打桩时桩锤落下击中桩帽,到被弹起的时间(我不知道具体是多少,大概眨眼的功夫,哈哈。0.01s的量级的样子吧。)这些荷载都在极短时间发生了显著变化。

3,固体波速与地震波
    我刚看了几条地震波,天然的人工的都有。加速度时程完成这样的“显著变化”大概要0.1-0.3s(很长了哦)。再经过结构本身的滤波作用,弯矩完成这样一次显著变化至少要1s以上(跟结构相关,由于我们做的很多都是超高层结构,所以这个时间可能是5s可能更多)。
    以C60为例应力波波速为:
              波速=sqrt(弹模/密度)=3800m/s
       也就是说应力波穿过一根长3.8m的梁只要0.001s,
    比较一下0.001秒的“响应时间”与1秒“荷载显著变化时间”就知道应力波的影响大不大了。

4,做惯了静力学的学者眼中,地震波是一种极其猛烈的冲击作用,可是在研究应力波的人眼中,它太慢了...

5,《应力波基础》中有这样的描述,常规静态试验中的应变率为10e-5   ~~  10e-1 每秒量级,而计及应力波的冲击试 验应变率则为10e2   ~~   10e4 ,甚至达到10e7每秒的量级,也就是在他们看来地震作用还是在“常规静态”的范围。当然大家的立场不同,划分的原则也是不同的,地震作用于准静态还是差之千里的。

6,上面所说的都是在时间尺度上看应力波,从荷载变化大小的量级上看呢?用手指弹一下混凝土梁,应力波迅速在了梁内传播、透射、反射,完成各种复杂动作,最后,混凝土梁一点反应都没有。

引用楼主的话:
“欢迎继续探讨,以上不对之处望指正。”    :-)
bjdtm2001






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2011-10-14 08:31    QQ 顶部
zsw2100 wrote:
感谢楼主的回复。
虽然很遗憾与您持有不同的观点,但这样的讨论还真的让人兴奋。我是学力学的,所以看问题的出发点可能跟结构背景的人不同,加之水平有限,如有不到的地方还请原谅。
抛开“强柱弱梁”问题不谈了。我说说应力 ...

感谢热心探讨。从你的这个帖子里我也学到不少弹性动力学方面的知识。限于专业和个人水平,本人对这方面的知识确实知之甚少。我一直以来都认为:学力学出生,最终搞结构的人,对结构的认识是非常深刻的。因为,力学是土木工程学科的基石!

下面对几个问题分别展开探讨,不对之处望继续指正:
1、地震作用与冲击荷载:首先,需要说明的是,我在#18楼帖子的讨论,与你的结论没有直接矛盾的地方,可能主要在于地震作用下的加载速率是否达到了必须考虑的程度。实际上,从#18楼帖子的第一点也提到了“地震作用的应变率介于一般静力荷载与冲击荷载之间”。地震作用的应变速率与冲击荷载相比,应该还是比较小的。但相对于一般静力荷载,地震作用却确实是一种动力作用,对结构的动力响应是不可忽略的。从你在#19楼的帖子中,我认识到“在应力波传过物体长度所需的时间同量级或更小的时间尺度上,荷载发生了显著变化”时,则必须考虑应力波的传递过程。也就是说,结构或构件的响应时间与荷载显著变化时间的比值,是否在一个数量级上才是考虑应力波传递的条件。无论是子弹穿过钢板,还是打桩时重锤击中桩帽的例子,这些都应该归入冲击荷载范畴。但关键是,地震作用冲击荷载相比,在应变速率上显然不属于一个量级,实际上还是不同的。但地震作用对于结构的破坏却是灾难性的,甚至引起结构的连续倒塌。所以,从荷载量级上看,地震作用的动力效应是绝对不能忽略的。

2、关键问题集中在:地震作用这样的动力荷载是否需要考虑应力波的传递?从理论以及zsw2100的详细数据推导上看,应该是不用考虑。zsw2100的例子应该还是很有说服力的。我想请教:“加速度时程完成这样的“显著变化”大概要0.1-0.3s……再经过结构本身的滤波作用,弯矩完成这样一次显著变化至少要1s以上”。能否具体展开?我对这之间的推导过程挺感兴趣。

3、实际上,我们的讨论有点偏离主题(“强梁弱柱”的成因机制)了。楼板应力波传递的问题在“强梁弱柱”现象中究竟有没有作用?如果有,会有多大?是否是主导因素?从日本振动台试验的录像来看,我纠正了自己的一个认识,就是楼板动力振动效应应该不是最主要的原因。此外,从我14#提供的一篇论文(王素裹,《某框架在侧向荷载作用下的裂缝检测及分析》)来看,似乎也不像是主要原因。
    但我认为,地震作用下楼板振动一定是存在的,这种现象会在一定程度上导致梁的“卸载”效应更加显著,从能量传递的角度上可以理解这个现象。

4、回到本质的问题,“强梁弱柱”的成因所有因素中最主要的原因是什么?为何柱端破坏严重,而梁端甚至连裂缝都没有?从内力平衡角度上看,这种现象似乎有违力学规律。梁没有出现裂缝,说明梁内的钢筋应力水平也很低,离屈服还很远,更谈不少梁端优先出现塑性铰耗能的延性耗能机制。这种现象怎么解释?我认为是问题的关键所在。我想,震害照片来看,问题只能在于整浇楼板!那地震时,楼板究竟发生了什么现象?仅从震害的结果照片上来看,我们不得而知,只能知道这种潜在的效应很强。我没有经过定量的分析和试验,所以很多观点也只能建立在“猜想”之上,肯定有不准确或者错误的地方。但总要通过“猜想”,来研究来验证,才能发现问题的本质。我记得2008年在论坛上讨论时候,有网友提出亲历地震的人,感觉楼板整个在震颤,从而导致了我对楼板动力振动产生的卸荷效应的猜想。联系实际生活,也有不少这方面的生活经验。当然,在土木结构上,还需要具体问题具体分析了。

    再次感谢zsw2100的探讨,使我对应力波有了具体的认识。谢谢:)
zsw2100






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2011-10-14 13:34    顶部
楼主谬赞,隔行如隔山,做了一年结构深觉力不从心,要学得太多,看楼主的强贴我受益匪浅。
19#的话是抛开了主题转谈应力波,旨在说明它影响的范围。那回来继续分享一些我的经验和解释之前我说得不清楚的问题:

1,“地震的动力效应是绝对不能忽略的”严重同意。我分享一些我对地震作用的理解,都很粗浅
     a,反复作用,区别于单调加载。(请教前辈,这是不是类似金属疲劳的破坏形式?)
     b,结构速度、加速度不可不计,区别于静态加载,也就是阻尼力和惯性力不能不计。
     c,地震作用本身包含丰富的频谱信息,激发结构各种频率响应,是结构处于复杂的难于估计的应力状态。
    (这带来了我们计算地震作用的三个很严重的问题:第一,反复荷载作用下的材料本构;第二,阻尼的合理施加;第三,高频对结构的影响,尤其对基底剪力的影响)

2,我解释一下之前第三条说的显著变化,不知道前辈注意了没,我在“显著变化”上是打了引号的,我没有给它一个定义,它只能模糊的说明一个量级(就像问家到公司要多少时间?走路的话一小时,要会飞的话就会很快一些)。它不是一个概念,就不存在推导过程。
我说的地震波“显著变化”时间大概是加速度完成一次变号所用的时间。而弯矩变化时间,是从一些以前的项目计算文件中读取几个弯矩时程,经过一些滤波处理除去毛刺,得到的较低频弯矩(弯矩中的主要成分)完成一次变号所用的时间。
我知道这样做不严谨,但我想我关心的是时间量级,这样应该够了,你觉得呢?

3,楼板震动的主导因素是竖向地震导致的惯性力;而引起梁、柱塑性铰的主导因素是水平地震导致的结构变形,梁要协调竖向构件变形,必然在竖向构件上产生集中力。两者的诱因不同,能量来源也不同。
    但是否会对“卸载”有作用,我没有发言权。

4,好,终于回到问题的本质了,到底为什么经过设计了还是会“强梁弱柱”?到底如何“锄强扶弱”?

    很明显,我不知道。。。。
   
    但以我外行的经验来看似乎可以从以下方面考虑:

    首先,板的作用,填充墙的作用,这个汶川有不少破坏的实例,研究的人也很多。
    其次,柱是直接承受动力荷载的构件,它直接受到水平地震的“冲击”。一根树枝,人站在上面不会断,但一脚飞踹过去很容易就断了。这种动力加载方式应该是对柱的抗震不利的。尤其短柱。柱的首先破坏会形成梁的“防弹衣”,反而保护了梁。
    最后,还有两个问题似乎在规范的内力调整中没有提到,一是阻尼力,二是惯性力,动力方程“三巨头”中如果有两个没有被考虑,我觉得总会产生那么点误差吧。当然这两个力可能是利好的因素,不考虑是保守的,我没有深究。

    最后也闲扯一些,宏观底速世界里,违背力学的现象是不会发生。只是对问题我们还没有做细致的研究,把所有的因素都罗列清楚(应该挺费钱的,我们的钱都借给米国了),有了确定的结论,或在研究中发现新的问题,那就是对社会进步的贡献。

    最简单的逻辑,现在出现了强梁弱柱是什么原因? 因为柱不够强,梁不够弱。
                  那有什么办法呢?加强柱。。。                     
      哈哈,这是玩笑话了

有说的不对的地方,还请前辈批评。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-10-14 19:00    QQ 顶部
仁兄谦虚了。
现在出差,手机回复不太方便。简单提几点我的理解吧。
 地震对于建筑来讲是一种不规律的快速往复作用。与金属疲劳破坏有相似之处,但地震作用时间比较短,且作用大小很不规律。因此,研究地震作用,在试验方法上至少要才有低周往复加载的方法。
 水平地震作用同样也能够导致楼板震颤。从柱、梁、板的变形协调关系上可以理解。突然卸载后板应该有可能发生震颤。从能量传递上应该也可以解释。但这与梁刚度有关。总之,梁板是共同工作的。
 柱受力不利导致损伤累积,也是一个因素。我原先也有考虑过,但我认为在任意时刻,力平衡条件都应该是严格满足的。所以,梁没有裂缝就非常奇怪。我一直没有办法找到这个现象的合理解释。
 欢迎继续讨论。其实,不少问题的真实答案往往来自外专业人士,有很多例子。

 



提问是一种乐趣,分享是一种快乐
fazing






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帖子 214
2011-10-15 22:26    顶部
我对抗震的认识只在大学里学一点,就是《结构力学》和《抗震》这两门课,我也不知道真正对抗震有更多更深认识还要学什么。当有一点可能肯定的,所以理论都不应该违背直观认识包括试验。  

   下面的认识存在的错误欢迎大家批评指正。


   1  国庆其中,我带我的儿子参观我省的科技管,里面有一个很简单的普通的隔震与 非隔震的震害对比试验,通过它我对隔震有直观的认识。同样的地震隔震为什么比非隔震的震害小呢?  我直观的认识是,因为隔震层的存在改变了上部结构的地震的运动形态:有隔震层时,上部结构基本上是左右整体移动;而没有隔震,上部结构是左右摆动(上下层同一时刻左右变形不同向)。虽然隔震的左右移动幅度更大,便其反而更不容易倒。
   
    我不知道目前学术界对隔震认识的或说理论是怎么论述的:是不是改变能量的输入而减轻了震害,还是别的原因。

   但个人感觉隔震实际上没有改变上部结构地震能量的输入,只是改变了地震能量的释放的方式:隔震通过左右移动(动量)来释放,而非隔震是变形(主要形式)和运动来释放。
   2  另一个问题:假设在楼面是放上一个重量比较大的带轮子的重物,轮子与楼面的间摩擦系数为零,与同样有此重物但不带轮子的两幢一样房子,发生地震时,底层地震作用大小一样吗?  按目前的抗规两都应该是一样的!但实际两者应该是不一样的。
   
  这两个问题的提出的目的何在呢?

  我想说的是:目前地震对建筑物产生作用的机理认识应该上存在问题的。我们对总的地震作用也许是相对正确的,但对建筑物如何消耗地震能量(更准确的说应该各构件如何消耗地震能量)是存在真空的。计算完某一时刻的地震作用之后,然后只是简单的把地震作用等同静力进行计算结构内力是错误的。还应该看各构件的 之间的连接情况,各构件的是不是可以自己释放能量等情况。我认识应该是可以的,就像楼主所提的那样,楼板本身也许就可以消耗掉一部分能量吧。
   
  第二,地震剪力是从上往下传,还是因为上部物质相对下层的运动产生惯性力-----所谓地震剪力?



  最后提一个问题:结构动力学能不能解释隔震与消能抗震?  可以的话,能不能用简单直白的话来解释一下?
fazing 修改于2011-10-15 22:46
zsw2100






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帖子 54
2011-10-16 11:03    顶部
1,隔振垫的作用是改变结构的周期,使结构变柔,按反应谱看周期越长地震作用越小(实际的地震波不一定)。
2,效能减震实际上是在结构上加一下阻尼器,为结构提供附加阻尼比,也就是提供附加的耗能机制,吸收地震能量以减小地震对结构的作用。
zsw2100 修改于2011-10-16 11:21
fazing






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帖子 214
2011-10-16 18:52    顶部
感谢楼主的回答,有道理。1 按你的解释我是不是可以这样理解:同样一个东西与大地连接的情况可以极大的改变其刚度。
    比如有一个简单的房子只有四个柱子,四个柱底分别1  2  3   4个隔振垫时, 结构的刚度有何不同?

  2  那我上面举的例子:楼层上放置的零摩擦系数的现象如何解释?是不是也可以看作一个消能装置?
huang840828






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帖子 332
2011-10-16 19:38    顶部
汶川地震关于框架结构的表现,
梁柱板体系几乎一例是‘强梁弱柱’破坏形式;
多层框架结构的倒塌多为1、2层齐齐剪到;
预制板结构的整体性比不过现浇楼板体系,但是却可以实现‘强柱弱梁’的破坏模式;

在灾后重建中,很多地方坚持清一色的绝不使用预制板,这似乎是有点过了:预制板用在结构中,如果连接做好了,是没有大问题的;对于中、高层结构固然不用考虑使用预制板,但是一般2-3层的结构使用预制板也是可以的;预制板的浇筑,混凝土和配筋质量有一定保证,毕竟能够做好施工标准化,现浇板的箍筋、分布筋绑扎质量差,混凝土配置条件和质量没有保证,尤其是浇筑之后的养护更是没有保证;
以上因素,一是导致现浇板的日后正常使用有大问题,若是再有一次大地震,预制板滑落尚有一丝生机,但现浇板的结构一旦倒塌就是名副其实的棺材盒子。

所以,要实现‘强梁弱柱’真是一个矛盾的问题,又要天晴,还要下雨,怎么做到?个人觉得还不如抛弃‘强梁弱柱’这种乌托邦式的良好愿望,在‘强柱弱梁’这种现实条件下,怎样做到‘强柱弱梁’破坏发生以后,能够再给结构多做一些防线,能够让人有办法从里面逃生出来。
huang840828






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帖子 332
2011-10-16 19:50    顶部
手里有几个结构,都是汶川地震后都江堰那边拍的:
一个是某小型设计院按规范设计的4层小框架;
一个是南方常见的底框——前面是框架,后面是砌体;
还有一批是某政府机构大院,一色4层家属楼,一层柱子做到800 X 800,其他各层就是砖砌体,用了240 x 240的构造柱;

第一个只有角落边柱发生一些轻微破坏,楼梯有一部分被掰断;
第二个,后面砌体破坏,整个房子放生仰斜,前面的框架部分被抬起,能看到下面的基础,可以伸进一只手;
第三个,一个裂纹都没有,底层做得够强。
这是地震后的破坏现象,做数值模拟同样表现出来,底层的耗能跟上面各层岔开一个量级,底层的能量消耗占了整个结构的绝大多数。
huang840828






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帖子 332
2011-10-16 20:05    顶部
楼板越薄、梁刚度越小,“强梁弱柱”现象越显著。
====
这个好像说不通,对于一般的结构来说,地震的水平作用其主导作用,跟网球的例子不一样。
再者网球的例子,球网耗能,一是球网材料的随你刚好能,一是球网连接处的摩擦耗能,球网刚度越小,一定范围内,其耗能越多,应该是‘强柱弱梁’啊。
梁柱






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帖子 569
2011-10-17 11:50    顶部
关于“强柱弱梁”及“框架延性与耗能”问题,汶川地震后,根据震害经验,大家颇为关注,个人一些观点:
1.根据震害情况,梁很少出现塑性铰,几乎是柱铰机制破坏,(汶川地震后,我我去参加援建时,去过很多灾区地方,考察了建筑破坏形式,见过都江堰一栋框架教学楼,梁端出现裂缝,柱未破坏,楼板为预制板),设计上不利因素:板对梁提供刚度及卸荷影响、框架间填充墙提供刚度、梁钢筋超配、梁与柱的线刚度影响。规范中仅强调了梁与柱之间的强度(钢筋)关系,虽然新规范中加大了柱弯矩与剪力的调整系数及竖向构件截面,实际效果无从检验,只能等下次地震的检验了。
2.关于耗能与延性,建筑的耗能有变形耗能、阻尼耗能、地基耗能等,从构件耗能次序:支撑构件-水平构件-竖向构件,按次序耗能是理想状态,设计要整体考虑,相互协调,水平变形耗能应是考虑的主要因素,竖向构件更应适应变形能力,不首先破坏,破坏形式要求是延性破坏。实现“强柱弱梁”及“框架延性与耗能”,加大竖向构件截面是较为有效方法。
3.关于楼板影响,楼板提高了结构整体性,协调了水平力在竖向构件间的分配,同时,影响了梁柱之间的力的分配,强化水平构件刚度及强度,导致柱铰首先出现。板对地震影响,目前仅考虑了板对梁提供刚度及梁板钢筋共同受力影响,楼板耗能规范中无论述。楼板刚性假定是结构模型计算分析条件之一,楼板的刚度对地震分析而言是有利因素,结构整体性取决于楼板整体性。设计中应解决好楼板对梁的刚度及卸荷影响,设计人员不得随意加大梁端钢筋,这一点设计中存在问题较多,设计人员能力参差不齐,理解差异,梁钢筋超配情况普遍,楼板钢筋未计入。
4.关于轻质隔墙对结构影响:1)轻质墙提供刚度,布置不均匀时造成扭转,上下布置不连续时,造成底部破坏严重,结构设计通过调整周期考虑隔墙刚度,比较笼统。2)轻质墙的耗能,轻质墙破坏对主体结构起到一定保护作用,起到第一道防线作用。3)轻质墙倒塌对疏散通道的阻碍影响。4)轻质墙对实现梁铰的阻碍,变形能力减弱,相当于提高梁的刚度。
5.梁柱的线刚度比影响,梁线刚度较大,对实现梁塑性铰有影响,对梁破坏机制(剪切、弯曲)有影响,避免剪切破坏,通过调整梁截面及跨度,减小梁柱线刚度比值。目前规范对梁柱线刚度比未做要求,线刚度比是影响实现“强柱弱梁”的主要因素之一,结构设计时应注重线刚度比的影响。
bjdtm2001






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帖子 1696
2011-10-17 12:11    QQ 顶部
fazing wrote:
我对抗震的认识只在大学里学一点,就是《结构力学》和《抗震》这两门课,我也不知道真正对抗震有更多更深认识还要学什么。当有一点可能肯定的,所以理论都不应该违背直观认识包括试验。  

   下面的认识存在的错误欢迎大 ...

感谢#23楼fazing的探讨。
对您提出的第二个问题:“ 另一个问题:假设在楼面是放上一个重量比较大的带轮子的重物,轮子与楼面的间摩擦系数为零,与同样有此重物但不带轮子的两幢一样房子,发生地震时,底层地震作用大小一样吗?  按目前的抗规两都应该是一样的!但实际两者应该是不一样的。”
我觉得这个问题很有意义!假定轮子与楼面间的摩擦系数为0,在地震作用下会发生什么现象?可以从刚度、质量和阻尼三个方面考虑。首先,可认为重物对主体结构不提供刚度的贡献,但对主体结构质量应该是有贡献的(重物自重的竖向荷载没有隔离)。由于重物与主体结构间相互作用的机制,主要存在于质量的变化(总质量不变,但质量的位置发生变化),从结构动力学角度,质量矩阵必然是一个随时间变化的变量,从而导致质量非线性(可以归入“状态非线性”范畴),这样这个结构动力学方程已不再是我们教科书上的经典动力学方程,而更加复杂化,涉及到相互作用的问题。至于这个模型对结构阻尼矩阵有没有影响,我还不好说。但从现在耗能减震方法中常用的TMD(质量阻尼)方法来看,这个重物+滚轮的模型对结构阻尼就类似于这样一种质量阻尼装置!

诚如fazing所述“还应该看各构件的之间的连接情况,各构件的是不是可以自己释放能量等情况。”这点确实存在,可以归入结构阻尼范畴。举个很典型的例子,08年汶川地震震害中,大家有没有去注意房屋顶部水箱的破坏情况?根据结构鞭梢效应,水箱结构在地震下应该十分不利,容易破坏。但实际上,水箱破坏的情况很少出现(除非水箱内没有水,是空的)。如果再进一步统计含水的水箱破坏情况,我估计几乎没有!为什么?正是因为水箱内的水形成了耗能阻尼装置,水箱成了一个天然的阻尼器。而这点,似乎在设计时很少有人去考虑。

想说明一点是,我们不要老去看地震中破坏的结构构件,而可以换个角度去看没有破坏的结构构件,或许能发现一些新的问题。
 


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