剛度理論在結構設計中的作用

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摘要：在結構設計中，有兩大因素比較重要。一個是外在因素“力”，另一個是內(nèi)在因素剛度。這兩者在設計中都非常重要，缺一不可。但對于力而言，盡管牽涉到力學方面的平衡、協(xié)調構建變形、構件內(nèi)力，但是這些方面都是通過剛度來進行具體體現(xiàn)的。文章通過對結構設計中的結構設計過程中、整體結構及構建中的剛度理論進行探究，以期為廣大的研究者提供參考。

關鍵詞：剛度理論；結構設計；抗震

在進行結構的布置和分析當中，設計師一般會對“力”更加重視。正因如此，有時候會忽視了結構、構件的變形能力等。通常說來，其變形協(xié)調和內(nèi)力，一般都由改善連接構件間的相對剛度來完成。要想使得建筑物在使用過程中承受風力或者地震的影響，就必須重視剛度在設計中的作用。

1結構設計過程中的剛度理論

通常情形下，對于建筑物而言。判斷其好還是不好的標準，往往就要看它結構方面剛度與構件的相對剛度控制合不合理。在結構設計當中，對于結構布置和構建截面進行調整，為的就是要使結構的剛度達到相關要求。只是在設計當中，這方面的意識有多強，是以設計的基本概念和規(guī)范來體現(xiàn)的。比如，在高層建筑中，其結構設計的全過程，都離不開剛度概念。

1.1側方向變化的結構

在高層建筑當中，如果是側方向的連續(xù)均勻變化，其整體曲線是比較光滑的。這種情形下，不管在哪一個樓層，都沒有位移突變的存在，這也使其不會有薄弱的地方。對于這種結構而言，其剛度非常理想，就算是高層建筑遭遇地震。也不會發(fā)生倒塌現(xiàn)象，對人們的生命才財產(chǎn)安全也就不會有嚴重威脅了。但是，如果是另外一種情況的話，在有發(fā)生突變現(xiàn)象的高層建筑中，在剛度發(fā)生突變的地方，就會形成較為薄弱的地方。在這個區(qū)域，盈利比較集中，塑性可能會產(chǎn)生很強的變形。這種情形下，一旦遭遇地震等強烈的震動，就可能受到破壞，甚至是倒塌，引起重大損失。如果高層建筑中具備轉換層，要求是低位轉換層，不應為高位轉換層。并且，在轉換層的上下層中，其抗側剛度應當具備良好的連續(xù)性，而非突變性。所以按照相關的規(guī)范規(guī)定，其底部的一至二層大空間的剪力墻結構，轉換層上下層的剪切剛度應當與1相接近,如果屬于非抗震設計時，那就應當小于等于3，而抗震設計時就應當小于等于2。對于后半轉換結構的轉換層來說，上下層變形曲線也會發(fā)生突變現(xiàn)象。所以，厚板轉換層結構通常不會被采用。

1.2結構主軸方向的側向剛度均衡

對于這種均衡來說，它能夠對結構的扭轉效應起到良好的抑制作用。這種結構在兩個方向或多個方向動力的特征比較相似，發(fā)生扭轉效應在表面看來并不是很明顯。一旦遇上地震，或者是強風，結構的主軸平動仍然具有優(yōu)勢，變形也較為簡單，這對結構的安全性能來說是非常好的。所以，在結構設計過程中，對于抗震結構的要求方面，其平面長度和寬度的比值較小，兩方向的抗側力構件一定要均勻、分散、對稱分布，這才能保證高層建筑在使用中的安全性能。

1.3平面剛度無窮大的結構

對于剛性高層抗震結構來說，可以使豎向構件承受的水平力按照抗側力剛度分配，這從計算數(shù)學模型中能夠得到證實。通過這樣的理論來對結構進行設計，最終能夠得到很好的效果，使得高層建筑的安全性能夠得到很好的保證，分析構建的內(nèi)力也會較為精準。否則，樓蓋可能因為沒有具備無限剛性而留下隱患。例如在高層建筑當中，樓層的凹凸或者打開洞口既深且長，就算是使用相應的變形程序來對它進行計算，也極有可能無法精確地知道書香構建的內(nèi)力是多少。這種情形使得結構工程師希望在建筑過程中，建筑師能夠根據(jù)他的意愿，使樓面變?yōu)閯傂浴＜词挂驗槟承┰驘o法實現(xiàn)，也要最大限度地接近剛性。

1.4防震縫的設計

盡管某些建筑平面的使用功能已經(jīng)非常良好，但是還會存在薄弱的地方。在這些薄弱的地方，其平面剛度會發(fā)生突變現(xiàn)象。就算使用比較精準的電算程序來計算，或者采取其他一些措施來進行彌補，都沒辦法使薄弱地方的構件抗震作用加強，也沒法使其抗變形能力增強。這種情況下，就需要設置防震縫，以便能夠從這個薄弱位置著手，把建筑物分成比較獨立的單元結構。某些框架結構處于高烈度區(qū)域，可以在其量變設置抗裝墻，這能夠使防震縫的破壞程度減小到最低程度，并且能夠很好地應對平面剛度的突變。

2整體結構及構建中的剛度理論

2.1柱構件中的剛度概念

在框架結構當中，柱構件布置時，柱子界面的高度和寬度之比有著不同的取值，也就是說，其界面的尺寸不同，在兩個柱子方向的擺向將會產(chǎn)生較大的剛度差異。同時，兩個方向的梁，其界面的尺寸大小，也會對側向剛度的強弱產(chǎn)生一定影響。在設計結構的時候，需要將這個特性應用到設計當中，借此實現(xiàn)兩項剛度達到均衡。比方說，在某個建筑結構當中，其平面的尺寸是AB幾乎相等，則h和b也幾乎相等，柱子就需要按照這個理論來進行布置。如果建筑平面是屬于長方形，而兩項側向剛度又有一定的差別。想要使得B向剛度符合要求，就應當要按照h和b的較大比值來進行設計安排。同時，h和B是平行的，不能夠相反。不然的話，整體剛度的差距就會拉大，對于防風和抗震來說，都是非常不利的（見圖1）。這種情況在筒中筒結構和框架-筒體結構的高層建筑中體現(xiàn)得較為明顯。框架通體結構中，其側向剛度是各榀框架-剪力墻來組成的。所以，外框架柱的h向要同其計算方向想平行才能夠滿足要求。

2.2剪力墻構件里的剛度概念

在豎向構建的剛度方面，柱要遠低于剪力墻。所以，布置結構的時候，剪力墻的數(shù)量、位置、形狀和截面尺寸等方面，都在一定程度上影響到結構剛度。在這個過程中，剛度得到了相當充分地體現(xiàn)。從剛度方面來看，將力強應當具備一定的數(shù)量才算合理。這種合理性通常指的是剪力墻的數(shù)量不能夠過少，如果跟設計要求不符合，就可能導致建筑物不能夠防風和防震，這是設計的大忌。同時，剪力墻的數(shù)量也不能夠過多，否則可能導致結構的剛度過大，會影響建筑的抗震性能，這也會使工程成本提升。因此，剪力墻的數(shù)量要合理。

2.3構建相互作用中的剛度概念體現(xiàn)

（1）樓板和梁相連，梁的剛度決定板邊界。在鋼筋混凝土結構當中，梁截面的形狀由舉行變?yōu)長或T形。這使其抗彎剛度和抗扭剛度都在很大程度上增強了。在對其進行計算的時候，就是依靠這個原理來分辨邊、中跨梁剛度增大系數(shù)的。對于梁的抗扭剛度來說，板的邊界條件受到抗扭剛度大小的嚴重影響。如此一來，如果抗扭剛度較大，半跨中的彎矩和撓度就會很小，反之就會很大。（2）樓蓋和縱向抗震墻的剛度。在多層或高層剪力墻結構、多層砌體房屋結構當中，抗震強的發(fā)揮受到了樓蓋剛度的影響。抗震墻承受著一定的水平剪力，這依靠樓蓋的傳遞才能得以實現(xiàn)、所以，樓蓋的剛度必須符合一定的要求。在宏觀意義上來對此進行衡量，對抗震墻的間距應當有所控制。這個間距不能夠過大，否則的話，可能因為受力不均勻是抗震效果大打折扣。如果建筑物比較長，又是長方形的。監(jiān)獄樓面的混凝土收縮、溫度等方面的應力作用，對樓層產(chǎn)生的影響比較明顯。這個時候，一旦在縱長方向的抗震墻對樓蓋影響過強，就可能導致裂縫的出現(xiàn)。

3結束語

在建筑結構的設計當中，必須要使其結構復合安全的要求，這是最重要的前提條件，也是成本控制的要求。想要實現(xiàn)這樣的要求，就必須在進行設計的時候，圍繞“力”這個因素來進行。不過，僅僅這樣是不夠的，因為“力”不是是影響結構的外在條件。還需要結合剛度理論知識，在設計當中處處考慮剛度因素所帶來的影響，用較為靈活的手段應對，這對結構設計才能起到良好的推動作用。

作者:徐鐵山 劉華麗 單位:咸寧市勘察建筑設計院

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