淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剛度的運(yùn)用和控制

■李文宇 ■山西省化工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030024

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剛度的定義

結(jié)構(gòu)物的剛度主要指的是結(jié)構(gòu)物發(fā)生單位變形所需要的力，其中單位變形與力值都是一種廣義定義。建筑結(jié)構(gòu)物受到的力復(fù)雜多變，大小和方向都會不斷發(fā)生改變;為此其變形也隨之而不斷變化。依據(jù)力與變形的不同，建筑結(jié)構(gòu)物的剛度主要包含有結(jié)構(gòu)剛度、桿件剛度、截面剛度等。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剛度的運(yùn)用與控制

建筑結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)階段，主要是針對建筑結(jié)構(gòu)物的不同布置方式與選型方式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)力分布的合理化，盡可能減小整體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)的提升。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一階段可以看出，通過實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系整體應(yīng)力分布的合理性，從根本上而言，為結(jié)構(gòu)體系整體剛度的優(yōu)選過程。對于建筑結(jié)構(gòu)而言，整體剛度的均衡，是保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的根本前提。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇基于結(jié)構(gòu)整體的剛度需求

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，其剛度的匹配性是建筑結(jié)構(gòu)體系選擇的前提條件之一。從理論的分析可以知道，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移與結(jié)構(gòu)高度的四次方存在這正比例關(guān)系。然而當(dāng)前我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑物的高度日新月異，不斷產(chǎn)生新的突破。為此建筑物設(shè)計(jì)過程中，其整體的剛度需求也隨之大幅度增長。

從建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展而言，建筑結(jié)構(gòu)物由原來的框架結(jié)構(gòu)，逐漸轉(zhuǎn)變成為框架剪力墻、束筒結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等等。這一轉(zhuǎn)變正是由于建筑結(jié)構(gòu)物的高度的提升，其結(jié)構(gòu)的剛度需求也不斷提升。對于高度不大的6 層小高層住宅區(qū)而言，可以采取使用一些剛度較小的框架結(jié)構(gòu)，而對于30 層以上的商品房，則必須要采用增加剪力墻的方式來實(shí)現(xiàn)建筑物整體剛度的提升。對于一些超高層建筑，則需要通過采用剛度更大的結(jié)構(gòu)體系----筒體結(jié)構(gòu)。由此可以預(yù)見，未來建筑物將會對結(jié)構(gòu)的整體剛度有著更高的需求。

此外，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)中，對于不同高度的建筑物，都定義了最高的建筑高度，這主要是由于不同的結(jié)構(gòu)體系，對結(jié)構(gòu)物的整體剛度不同，通過結(jié)構(gòu)體系來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度增強(qiáng)，進(jìn)而有效提升建筑物的穩(wěn)定性。為此建筑結(jié)構(gòu)物對于結(jié)構(gòu)的整體剛度需求有著非常大的依賴性，隨著結(jié)構(gòu)剛度的不斷提升，建筑設(shè)計(jì)也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的創(chuàng)新。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中通過規(guī)則性的布置方式來提升局部剛度的均衡性需求

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡可能使得建筑結(jié)構(gòu)平面布置簡單規(guī)則。這是由于不規(guī)則的平面布置方式會造成平面的剛度不均勻，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)物的重心與結(jié)構(gòu)物的剛度設(shè)計(jì)不重合，使得結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生大的扭矩，造成扭轉(zhuǎn)變形。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，往往會設(shè)置一些防震縫，如此將建筑結(jié)構(gòu)物進(jìn)行細(xì)分，使得結(jié)構(gòu)劃分成為機(jī)構(gòu)規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，如此可以有效的實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)自身的重心與建筑物的剛度設(shè)計(jì)保持一致。

建筑結(jié)構(gòu)豎向布置不規(guī)則時(shí)，則不能夠采取設(shè)置防震縫的方式來實(shí)現(xiàn)，變存在一些豎向側(cè)向的剛度突變區(qū)域，這一區(qū)域亦稱之為建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層。對于建筑結(jié)構(gòu)而言，薄弱區(qū)域會由于應(yīng)力集中或者塑性變形集中而造成結(jié)構(gòu)物的失穩(wěn)。對于一些大型的豎向不規(guī)則建筑物，一般建筑結(jié)構(gòu)都會設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換層來提升結(jié)構(gòu)的剛度。

2.3 剛度為建筑經(jīng)濟(jì)性與合理性的需求

對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其剛度的控制水平直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣。例如，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物的抗震與抗風(fēng)荷載作用與建筑物剛度需求是相互矛盾的，因?yàn)榻ㄖ锍惺艿牡卣鸷奢d作用是一種水平向與豎向結(jié)合的荷載，與風(fēng)荷載作為主要為水平荷載作用，結(jié)構(gòu)物的剛度需求是一種縱向內(nèi)力的合理化分布。為此抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)物的剛度越大，則會導(dǎo)致地震荷載對結(jié)構(gòu)物的橫向作用影響越大。為此從抗震設(shè)計(jì)的角度而言，結(jié)構(gòu)物的剛度越小越好。建筑物在穩(wěn)定的風(fēng)荷載作用下，其結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備相應(yīng)的側(cè)移條件，如此建筑結(jié)構(gòu)的剛度越大，其抗風(fēng)荷載作用越好。

為此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先對建筑物本身的各方面的需求進(jìn)行綜合考慮，如處于地震區(qū)域的建筑，其自身的抗震需求越重要;而處于一些非地震地區(qū)，高層建筑則對風(fēng)荷載作用的抵抗性要求越高。只有權(quán)衡各個(gè)方面的因素，才能選取合理的剛度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

3 建筑結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整措施

通過上文的介紹，可以看出通過調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)物構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件之間的約束方式、構(gòu)件的布置方式等等方式，都可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度提升。然而除了這些基礎(chǔ)的調(diào)整方式之外，還可以通過下列途徑，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整。使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理與完善，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展需求。

(1)施加預(yù)應(yīng)力，有效提升建筑結(jié)構(gòu)剛度。通過添加預(yù)應(yīng)力的方式來提升結(jié)構(gòu)剛度，主要是針對于一些受力瞬變體系，即活荷載為主要的荷載作用。針對這種瞬變結(jié)構(gòu)體系，則需要增加水平向的預(yù)應(yīng)力作用，來提升結(jié)構(gòu)的整體剛度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

(2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的傳力路徑。對于一些框架結(jié)構(gòu)，都是將力由梁傳遞至柱，再傳至地基，為此對于框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為一個(gè)非常重要的部分。這種傳力方式，對于基礎(chǔ)的要求相對比較高。為此可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的傳力方式，來實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。如構(gòu)建一些副梁來抵消部分主梁的荷載作用，使得傳力的路徑得以優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑自身剛度的提升。

(3)改變約束方式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其樓梯與梯板之間都是采用斜支撐的方式進(jìn)行固定，為此兩者之間的剛接將會使得斜向梯板與樓梯附近成為一個(gè)應(yīng)力的突變區(qū)域，這一區(qū)域便會形成應(yīng)力集中，若設(shè)計(jì)不慎，樓梯處的破壞與崩塌，便會形成逃生通道堵塞。設(shè)計(jì)過程中科技通過梯板與平臺板之間通過滑動接觸，如此可以有效的減小剛度突變的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)整體剛度的均勻。為此通過約束方式的優(yōu)化，也可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的提升。

4 結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，因抓住結(jié)構(gòu)剛度這一條設(shè)計(jì)主線來進(jìn)行。如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間的最本質(zhì)區(qū)別在于，鋼筋混凝土的開裂會對結(jié)構(gòu)物的剛度造成非常大的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生非常復(fù)雜的應(yīng)力變化。為此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮建筑的剛度需求，針對各項(xiàng)因素的綜合考慮，選擇最合理的設(shè)計(jì)剛度，實(shí)現(xiàn)建筑物設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)化與合理化。

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