分析剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用

李帥

【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了剛度的含義，并對(duì)剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。運(yùn)用剛度理論能有效的計(jì)算出各抗側(cè)力的構(gòu)件的內(nèi)力，通過(guò)設(shè)置防震縫，可以減少建筑物遭遇地震時(shí)所受的破壞。而且對(duì)于側(cè)向剛度的均勻連續(xù)變化的高層建筑不會(huì)產(chǎn)生突變。研究剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用，對(duì)提高工作效率，經(jīng)濟(jì)效益都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】剛度理論；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；線剛度

一般情況下，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)人員比較偏重力的概念。通常設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)布置與計(jì)算分析的時(shí)候比較關(guān)注荷載的產(chǎn)生和數(shù)值的大小。從而往往忽視影響構(gòu)件內(nèi)力的變形火車(chē)構(gòu)件抵抗外力的變形能力等概念。同時(shí)改善連接構(gòu)架之間的相對(duì)剛度或是構(gòu)件自身的線的剛度是結(jié)構(gòu)中的變形的協(xié)調(diào)的內(nèi)力的產(chǎn)生的。而且內(nèi)部剛度是地震、載荷、建筑物的自重等外部結(jié)構(gòu)因素中的重要因素。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中科學(xué)的運(yùn)用剛度理論，不僅能夠消除結(jié)構(gòu)隱患，還能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，采用剛度理論能更好提高工作效率，縮短工作設(shè)計(jì)時(shí)間。最終設(shè)計(jì)出剛度適中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文研究剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用，具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。

1 剛度的含義

剛度是工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)，結(jié)構(gòu)剛度就是結(jié)構(gòu)能夠限制作用力所產(chǎn)生變形的性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析階段，結(jié)構(gòu)中力的平衡。變形的協(xié)調(diào)以及由此產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力，都是通過(guò)構(gòu)件自身的線剛度以及連接構(gòu)件之間的相對(duì)剛度的大小來(lái)體現(xiàn)的。

2 剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用

一幢建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行與不行和好與不好，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的整體剛度和構(gòu)件的相對(duì)剛度控制得是否恰當(dāng)合理。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面的調(diào)整，都是在尋求一種合理的結(jié)構(gòu)剛度，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的原始精神都是圍繞著剛度這一基本原理來(lái)展開(kāi)的。

2.1 地下室頂板具有一定的平面剛度才能夠作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端是保證上部結(jié)構(gòu)的地震剪力能夠通過(guò)地下室頂板傳遞到整個(gè)地下室結(jié)構(gòu)的抗側(cè)構(gòu)件，此外還能夠保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)變形以地下室的頂板為支撐。在整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算中肩了有效的需求較為準(zhǔn)確的內(nèi)力以及變形等計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范中的定性與定量對(duì)地下室頂板的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。

2.2 能夠有效的計(jì)算出各抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力

高層抗震結(jié)構(gòu)的樓層是剛性的，則能夠保證結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件所承受的水平力是按其抗側(cè)力剛度分配的，從結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算數(shù)學(xué)模型假定到結(jié)構(gòu)的真正受力狀態(tài)都能一致地反映這一點(diǎn)。按此設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)，其安全度是有保證的，其構(gòu)件內(nèi)力分析是較準(zhǔn)確的；相反，樓蓋形成不了無(wú)限剛性。比如樓層大開(kāi)洞口或凹凸太深太長(zhǎng)，即使采用考慮樓板變形的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，也很難準(zhǔn)確了解和掌握其各豎向構(gòu)件內(nèi)力的大小。

2.3側(cè)向剛度沿高度均勻連續(xù)變化的結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生突變

對(duì)于側(cè)向剛度的均勻連續(xù)變化的高層建筑來(lái)說(shuō)，在水平作用力的條件下整體的變形曲線是光滑的在任何樓層數(shù)都不會(huì)產(chǎn)生位移突變。因此也不存在薄弱的部位，這樣的結(jié)構(gòu)即使在遭遇地震時(shí)也不會(huì)倒塌。對(duì)于側(cè)向高度突變的高層建筑來(lái)說(shuō)，在樓層剛度突變出形成薄弱的部位，產(chǎn)生應(yīng)力集中，便會(huì)造成塑性變形大在遭遇地震時(shí)容易倒塌。

2.4 設(shè)置防震縫

解決平面剛度突變的最好方式是設(shè)置防震縫。通過(guò)設(shè)置防震縫，可以保證建筑平面薄弱部位的構(gòu)件的抵抗地震的強(qiáng)度和變形能力。因?yàn)樵诮ㄖ矫娴谋∪醪课患皶r(shí)采用科學(xué)的電算程序進(jìn)行計(jì)算，也不能保證建筑的抗震能力。因此設(shè)置防震縫，在防震縫的兩側(cè)設(shè)置抗撞墻。從薄弱的部位將建筑分為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。從而減少防震縫兩側(cè)遭到的破壞。

2.5剪力墻的連梁尺寸可以更好地發(fā)揮開(kāi)洞剪力墻的作用

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，由于其中的剪力墻是零星，分散布置的，所形成的結(jié)構(gòu)整體剛度不太大，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度，使其中的剪力墻成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，故規(guī)范規(guī)定“一、二級(jí)抗震墻的洞口連梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm”連梁的剛度不宜太??；相反，在剪力墻結(jié)構(gòu)體系（包括部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)體系）中，由于墻體多且密，所形成的結(jié)構(gòu)整體剛度往往過(guò)大，不僅吸收地震能量大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，而且會(huì)造成結(jié)構(gòu)造價(jià)的上漲，因此，規(guī)范規(guī)定“將一道抗震墻分成長(zhǎng)度均勻的若干墻段，洞口連梁的跨高比宜大于6”，意即要求連梁的剛度不宜太大。這是有目的地控制剪力墻連梁剛度，將結(jié)構(gòu)整體剛度調(diào)整至合適程度并使開(kāi)洞剪力墻發(fā)揮更大作用的顯著例子。

3 剛度理論在構(gòu)件設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)

剛度理論在剪力墻構(gòu)件中的體現(xiàn)剪力墻和柱同屬結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，但剪力墻在其平面內(nèi)的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柱，因此在結(jié)構(gòu)布置中，當(dāng)有剪力墻構(gòu)件時(shí)，剪力墻的截面尺寸、數(shù)量、位置和形狀等對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度的影響舉足輕重，剛度理論在其中的體現(xiàn)更是十分突出。從早期的墻率（單位建筑面積中剪力墻截面積）探討，到以剛度為計(jì)算參數(shù)的剪力墻最低數(shù)量的各種各樣的簡(jiǎn)化公式的展示，無(wú)不從剛度角度出發(fā)，探索剪力墻合理數(shù)量的規(guī)律。

3.1剛度理論在剪力墻構(gòu)件中的體現(xiàn)

（1）框一剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻宜設(shè)置在墻面不需要開(kāi)大洞口的位置以便形成剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件?？蚣芤患袅Y(jié)構(gòu)中的剪力墻，其片數(shù)總是有限的。為了使其起到主要抗側(cè)力構(gòu)件的作用，每片剪力墻都需要具有一定的剛度，如剪力墻開(kāi)大洞口，則其剛度大大地被削弱，這將與設(shè)置剪力墻的初衷相違背，因此宜將剪力墻設(shè)置在不需要開(kāi)大洞口的位置上，這是從剛度理論出發(fā)對(duì)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻最佳位置選擇的一個(gè)基本原則。

（2）剛度過(guò)大的較長(zhǎng)剪力墻，宜開(kāi)設(shè)洞口將其分為多肢剪力墻 較長(zhǎng)的剪力墻由于墻的高度與墻寬之比減小，外框架一筒體結(jié)構(gòu)外框筒一筒體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度相當(dāng)大，地震時(shí)易遭受剪切破壞，而在抗震原則中，應(yīng)做“強(qiáng)剪弱彎”，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪切破壞是要避免的。為了達(dá)到此目的，需將較長(zhǎng)剪力墻通過(guò)開(kāi)設(shè)洞口，分成較均勻的若干墻段，即將剛度很大的單肢墻通過(guò)開(kāi)洞口變成雙肢或多肢墻，使各墻段的高寬比大于2，避免剪切破壞，提高其變形能力。這是合理控制剪力墻剛度的一個(gè)例子。

3.2剛度理論在構(gòu)件相互作用中的體現(xiàn)

（1）構(gòu)件的線剛度與一荷載的傳遞產(chǎn)生的內(nèi)力有很大的關(guān)系。在相同力的作用下，在同一共同力的作用下，線剛度大的，構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力就大，反之，在相同力的作用下，剛度大的構(gòu)件變形就小。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程師都要考慮剛度的作用，因?yàn)閯偠仍诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具有很重要的作用。

（2）按照梁柱線剛度的比例分配梁與柱的鏈接點(diǎn)處的力矩。其應(yīng)用的是力學(xué)力矩分配法的基本原則。由于邊節(jié)點(diǎn)參與彎矩分配的桿件數(shù)少于中節(jié)點(diǎn)。因此梁柱節(jié)點(diǎn)處桿件所承受的彎矩值要比中節(jié)點(diǎn)要大，特別是頂層邊節(jié)點(diǎn)，這事頂層邊柱與頂層框架梁配筋較多的主要原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，剛度理論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，將剛度理論靈活運(yùn)用到工程中，能做出更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的安全，還能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的合理性，對(duì)我國(guó)未來(lái)工程師的要求是利用剛度理論設(shè)計(jì)出剛度適中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是工程師設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。本文對(duì)于剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的研究仍有不足之處，希望相關(guān)學(xué)者對(duì)其能有深一步的研究，相信我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有更大一步的發(fā)展。

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