淺談結(jié)構(gòu)剛度在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用

劉成剛

摘 要：所謂剛度就是指單位變形（包括位移、轉(zhuǎn)角等）所需的力，就是能限制作用力產(chǎn)生變形的性質(zhì)，是工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中應用剛度理論可對結(jié)構(gòu)進行宏觀控制，定性定量地進行結(jié)構(gòu)分析，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不安全因素，使受力合理并獲得最佳經(jīng)濟效益。本論文闡述了建筑結(jié)構(gòu)剛度的概念設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)剛度與震害的關(guān)系，分析了規(guī)范對結(jié)構(gòu)剛度的規(guī)定，并進一步提出了對結(jié)構(gòu)剛度的認知。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)剛度，概念設(shè)計，地震作用，結(jié)構(gòu)分析，剛?cè)嵝裕鼗A(chǔ)

1.前言

隨著高度的增加，建筑的側(cè)向位移迅速增大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振周期等動力性能，并使水平作用力下產(chǎn)生的層間位移控制在一定范圍，同時結(jié)構(gòu)還應具有良好的延性，以吸收地震能量。

2.建筑結(jié)構(gòu)剛度的概念設(shè)計原則

2.1.結(jié)構(gòu)剛與柔的選擇

多次地震事實表明，結(jié)構(gòu)變形越小，地震的危害就越小，但是不能得出剛度越大越好的結(jié)論，因為剛度愈大地震作用愈大，材料用量也會增加，而且現(xiàn)實中不能實現(xiàn)剛度無限大，所以結(jié)構(gòu)必須要有一定的延性。此外，結(jié)構(gòu)振動和變形的大小不僅和結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，還與場地有關(guān)，因為當結(jié)構(gòu)自振周期與場地土卓越周期接近時，地震作用急劇加大。因此，對于建筑抗震設(shè)計，不能做出“剛一些好”還是“柔一些好”的簡單結(jié)論，而是要求結(jié)構(gòu)整體剛度要“剛?cè)嵯酀?。結(jié)構(gòu)過剛則變形能力差，意味著外部能量主要由自身抵抗、吸收。對于地震作用，顯然是不利而且不經(jīng)濟的。結(jié)構(gòu)過柔則變形過大，在風荷載作用下會有使用上的不適感。嚴重時會整體傾覆?？傊畱凇皠偂⑷帷敝g尋找合理的度。

2.2.結(jié)構(gòu)平面布置剛度宜均勻、減少扭轉(zhuǎn)

抗震結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則、盡量減少凸出，凹進等復雜平面，但是更重要的是平面布置時要盡可能使平面剛度均勻，所謂結(jié)構(gòu)平面剛度均勻就是剛度中心與質(zhì)量中心靠近，是樓層抗側(cè)構(gòu)件水平位移同步，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)。平面剛度是否均勻是地震造成扭轉(zhuǎn)破壞的主要原因，而影響剛度是否均勻的主要原因是抗側(cè)構(gòu)件的布置，平面一側(cè)的剛度集中是不應采取的，大剛度抗側(cè)單元偏置的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)更大，某一局部相對其他部分剛度過大，往往意味著其將承擔更大的能量、內(nèi)力，一旦破壞，結(jié)構(gòu)將發(fā)生連續(xù)性倒塌。對稱、均勻的結(jié)構(gòu)往往更合理，因為其各體系、各構(gòu)件內(nèi)力更均勻，抗倒塌性強。同時，較高的建筑物不宜做成長寬比很大的長條形平面，因為它不符合樓板在平面內(nèi)無限剛性的假定。

2.3.結(jié)構(gòu)豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減少鞭梢效應

結(jié)構(gòu)宜做成上下等寬或由下向上逐漸減小的梯形，更重要的是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度應沿高度均勻或沿高度逐漸減小。豎向剛度是否均勻，也主要涉及抗側(cè)構(gòu)件的布置，上下兩層抗側(cè)構(gòu)件布置位置以及樓層整體剛度大小的變化都是影響豎向剛度是否均勻的因素。

3.剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的體現(xiàn)和應用

3.1結(jié)構(gòu)體系的演變體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)對整體剛度的要求

以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例，隨著建筑高度的不斷增加或抗風、抗震等級的提高，結(jié)構(gòu)體系由純框架結(jié)構(gòu)，逐步演變出框剪、剪力墻、筒體-框架、筒中筒、束筒結(jié)構(gòu)等，也就是隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，承受風荷載與地震荷載也就越來越大，對結(jié)構(gòu)的整體剛度的要求就越高。

3.2剛度理論在設(shè)計過程中的幾個體現(xiàn)

1）在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，由于結(jié)構(gòu)中剪力墻墻體往往過多，吸引的地震力大，因此《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010第6.1.9條規(guī)定較長的抗震墻宜開設(shè)洞口，將一道墻分成長度較均勻的若干段，洞口連梁的跨高比宜大于6，各墻段的高寬比不宜小于3，這是要求連梁剛度不宜太大。規(guī)范這些要求是通過控制剪力墻連梁的剛度，來調(diào)整剪力墻墻體的剛度，從而使結(jié)構(gòu)整體剛度調(diào)整至符合要求的程度，更好發(fā)揮剪力墻的整體發(fā)揮。

2）解決平面剛度突變的最佳辦法是設(shè)置防震縫 當建筑平面的使用功能非常優(yōu)越，但出現(xiàn)平面薄弱部位，薄弱部位的平面剛度產(chǎn)生突變，即使采用“精確”的電算程序進行計算和多種構(gòu)造措施加強，都很難保證該薄弱部位構(gòu)件抵抗地震作用的強度和變形能力時，通常采取設(shè)置防震縫方法，從該位置將建筑物分成獨立的結(jié)構(gòu)單元。對于高烈度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，為了減小防震縫兩側(cè)碰撞時的破壞，有時需要在防震縫的兩側(cè)設(shè)置抗撞墻。這是處理平面剛度突變的最佳方法。

4.上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響

建筑整體結(jié)構(gòu)由上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)兩部分組成，上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用，即是把上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基（有樁基礎(chǔ)包括樁）三者看成一個整體，并要滿足地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)三者在接觸部位的變形協(xié)調(diào)條件。上部主體結(jié)構(gòu)的安全與否， 不僅取決于自身各種構(gòu)件的強度， 同時還受地基基礎(chǔ)變形的影響。而地基基礎(chǔ)的設(shè)計又要充分考慮上部結(jié)構(gòu)的剛度問題， 不同的上部結(jié)構(gòu)形式對地基基礎(chǔ)變形的適應能力不同，因而了解上部結(jié)構(gòu)的剛度特點對地基基礎(chǔ)的設(shè)計十分重要。

通過建筑施工的了解與進一步的深入分析可知，不同類型的上不結(jié)構(gòu)對于其對應建筑底部施工工地地基基礎(chǔ)的變形適應能力也會不同。一般會將上部結(jié)構(gòu)分為剛性與柔性結(jié)構(gòu)以及半剛性結(jié)構(gòu)。而柔性結(jié)構(gòu)是這幾類結(jié)構(gòu)中具有較強適應變形能力的一種結(jié)構(gòu)，現(xiàn)今遺留很多木質(zhì)的古建筑中很少會發(fā)現(xiàn)因為地基變形的原因而受到損壞。而上部剛性結(jié)構(gòu)雖然沒有上部柔性結(jié)構(gòu)那樣具有較強的適應變形能力，但是上部剛部結(jié)構(gòu)對于一些不均勻，不平整的地基基礎(chǔ)則具有較強的抵抗能力。剛性結(jié)構(gòu)的抵抗能需要嚴格確保在清楚知道地基變形的傾斜值的基礎(chǔ)之上，才能對地基進行相應的設(shè)計選用。而半剛性的結(jié)構(gòu)本身就具有其他兩種上部結(jié)構(gòu)所不具有的可承受部分的撓曲功能，且其還有有調(diào)整部分地基變形的能力， 但如果調(diào)整部分超過半剛性結(jié)構(gòu)可調(diào)整的一定限度就會使主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損， 導致建筑物出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

因此要研究上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響的共同作用，進而考慮不同剛度類型的建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計問題。

5.結(jié)語

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應按照剛度理論的要求去選擇結(jié)構(gòu)體系，調(diào)整平面與豎向體系的設(shè)置，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度的分布，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的相對剛度，最后通過細部設(shè)計來調(diào)整構(gòu)件之間的相互關(guān)系，提高構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的效用，使整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮出預期效果的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻：

[1] 黃真 林少培，現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念與方法[M]，中國建筑工業(yè)出版社（2010），10頁

[2] 張元坤 李盛勇，剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用和體現(xiàn)[J]，建筑結(jié)構(gòu)，2003

[3] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]， 北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010

[4] 劉霜菊，李彩英.淺談房屋建筑常見柔性基礎(chǔ)工程施工技術(shù)[J].華章.2011年15期