刍议刚度在建筑结构设计中应用

刍议刚度在建筑结构设计中应用

安明明

安明明

摘要：刚度是建筑结构的本质。所谓刚度就是单位位移下的力，表示抵抗变形的能力。建筑结构的刚度可分为绝对刚度和相对刚度，后者主要在内力分配时得以体现。结构设计的过程实际上是在寻找一种合理的刚度，来满足建筑结构安全性、适应性、经济性的要求，它贯穿于结构设计的全过程。结构设计的是否科学合理，主要在于结构整体刚度和构件间相对刚度的把控是否到位。

关键词：刚度；建筑；结构设计；应用

1建筑结构刚度的概念设计原则

1.1结构刚与柔的选择

多次地震事实表明，结构变形越小，地震的危害就越小，但是不能得出刚度越大越好的结论，因为刚度愈大地震作用愈大，材料用量也会增加，而且现实中不能实现刚度无限大，所以结构必须要有一定的延性。此外，结构振动和变形的大小不仅和结构刚度有关，还与场地有关，因为当结构自振周期与场地土卓越周期接近时，地震作用急剧加大。因此，对于建筑抗震设计，不能做出“刚一些好”还是“柔一些好”的简单结论，而是要求结构整体刚度要“刚柔相济”。结构过刚则变形能力差，意味着外部能量主要由自身抵抗、吸收。对于地震作用，显然是不利而且不经济的。结构过柔则变形过大，在风荷载作用下会有使用上的不适感。严重时会整体倾覆。总之应在“刚、柔”之间寻找合理的度。

1.2结构平面布置刚度宜均匀、减少扭转

抗震结构平面布置宜简单、规则、尽量减少凸出，凹进等复杂平面，但是更重要的是平面布置时要尽可能使平面刚度均匀，所谓结构平面刚度均匀就是刚度中心与质量中心靠近，是楼层抗侧构件水平位移同步，减少地震作用下的扭转。平面刚度是否均匀是地震造成扭转破坏的主要原因，而影响刚度是否均匀的主要原因是抗侧构件的布置，平面一侧的刚度集中是不应采取的，大刚度抗侧单元偏置的结构在地震作用下扭转更大，某一局部相对其他部分刚度过大，往往意味着其将承担更大的能量、内力，一旦破坏，结构将发生连续性倒塌。对称、均匀的结构往往更合理，因为其各体系、各构件内力更均匀，抗倒塌性强。同时，较高的建筑物不宜做成长宽比很大的长条形平面，因为它不符合楼板在平面内无限刚性的假定。

2结构计算模型与刚度

建筑结构的刚度与其材料、截面尺寸、构件布置及数量等因素有关。如轴向刚度，根据材料力学中的轴向变形公式可以得到一根杆件的轴向刚度，式中N是杆件所受的轴向力，l是杆件轴向长度，E是杆件弹性模量，A是杆件横截面积。但实际结构是由多种构件组成的，受力形式复杂，其刚度并不能按照单根杆件那样计算得出。因此在求解实际刚度时，一般是删繁就简，留下关键，去掉旁枝末节，对结构进行简化，得到结构的计算力学模型。例如柱脚支座的简化，预制柱置于杯状基础中，一种是用细石混凝土填充，一种是用沥青麻刀填充。在计算柱脚支座转动时，考虑到细石混凝土填充的支座刚度比柱转动刚度大很多，支座可简化为固定支座；而用沥青麻刀填充的支座刚度比柱本身转动刚度小很多，此时支座可简化为固定铰支座。

3结构体系与刚度

在合理的范围内增大建筑结构的刚度，可以减小结构在大震作用下的破坏。这是因为在同一地震作用下，刚度大的结构变形小，刚度小的变形大，且一般变形越大破坏越严重。

3.1框架结构

框架结构由梁、板、柱等构件组成，抗侧力构件主要是线性构件柱，其空间布置灵活，适应于层数不多高度不大的建筑。框架结构整体侧向刚度不大，当用于比较高的建筑时，梁柱截面尺寸都需设计的很大，这样就减小了建筑使用空间，造成经济上浪费。

3.2剪力墙结构

剪力墙结构的抗侧力构件主要是由具有较大横截面宽厚比的片状构件剪力墙组成。剪力墙结构侧向刚度大，能抵抗较大的水平力而不发生较大变形，适用高度范围较框架结构大很多，但剪力墙间距一般较小，限制了空间使用范围。

3.3框架—剪力墙结构

在框架—剪力墙结构中，框架和剪力墙共同承担水平力。该结构中剪力墙的数量、截面尺寸、布置位置等对其刚度有很大影响。剪力墙太少，则不能抵抗风或水平地震作用，剪力墙数量太多，刚度太大，则受到的地震力很大。

3.4筒体结构

筒体结构一般包括框架—核心筒结构和筒中筒结构，它们的抗侧力构件属于立体构件—由线性构件或片状构件组成的封闭管状类结构，其通长具有较大横截面尺寸而壁厚很小。筒中筒结构体系较框筒结构有更大的整体性和抗侧刚度，若将多个筒体组合成，其侧向刚度则会更大。

4结构计算指标与刚度

4.1楼层平面刚度

楼盖对结构的整体性起很大作用，它将力传递给各竖向构件，并协调各抗侧力构件工作。在用SATWE参数分析位移比、周期比的时候，需采用刚性楼板假定。这是因为位移比是反应扭转刚度的参数，即反应地震作用下建筑平面绕某个中心旋转的幅度。若整个楼盖平面都是刚性的，则距离旋转中心距离最远点的位移一定最大，最大位移与平均位移的比值就是位移比。若楼板不是刚性的，在地震作用下，楼盖平面各点的位移不协调，可能只是局部某薄弱点发生位移变形，该位移变形看似很大，但并不能反应结构的扭转情况，所得出的参数亦失去意义。而在计算构件配筋时，楼层平面刚度则应选择弹性。

4.2建筑结构的自振周期T1

一般建筑结构的刚度越大，基本自振周期T1越小。规范规定对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架-剪力墙结构和剪力墙结构，其基本自振周期可按式T1=1.7ΨTμT计算得出，其中ΨT为考虑填充墙刚度对结构自振周期影响的折减系数，μT为假想的结构顶点水平位移。

4.3结构规则性

规范对结构的平面布置和竖向布置都提出了具体的要求，这些要求从本质上来说是对结构刚度的规定。建筑结构的平立面是否规则，决定建筑结构的刚度是否合理，是否能满足水平力尤其是水平地震作用的要求。若建筑结构平面和竖向布置超过规范的规定，应采取相应的措施。结构的平面刚度是否符合要求，主要取决于结构的“质心”与“刚心”。“质心”与“刚心”距离越远，扭转越明显，衡量扭转大小的指标用扭转位移比来表示。为满足要求，应减小地震扭转效应、加强结构的扭转刚度，即在布置结构平面时做到规则、均匀、对称、两个方向刚度宜接近。当结构平面不规则时，可通过设置防震缝处理。侧向刚度沿竖直方向均匀变化的建筑，不会发生位移突变，这样的结构在大震下也不易倒塌；反之，竖向不规则产生的侧向刚度突变，容易形成薄弱层，在地震作用下出现应力集中，容易发生倒塌，这时候应放大薄弱层的效应，加强薄弱层的抗力。

结论

建筑结构设计的宗旨是保证安全适用的前提下尽量经济合理，而这一要求离不开刚度的应用，可以说刚度贯穿于建筑结构设计的全过程。在建筑结构设计时，应合理布置构件，注意构件之间的刚度关系，提高结构构件的效率，从而设计出刚度适中的结构。

参考文献

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[2]张元坤李盛勇，刚度理论在结构设计中的作用和体现[J]，建筑结构，2016,15.

[3]徐传亮.刚度理论在工程结构设计中的应用[D].同济大学,2016.

[4]刘霜菊，李彩英.浅谈房屋建筑常见柔性基础工程施工技术[J].华章.2016，1.