刚度理论在结构设计中的作用

 摘要：在结构设计中，有两大因素比较重要。一个是外在因素“力”，另一个是内在因素刚度。这两者在设计中都非常重要，缺一不可。但对于力而言，尽管牵涉到力学方面的平衡、协调构建变形、构件内力，但是这些方面都是通过刚度来进行具体体现的。文章通过对结构设计中的结构设计过程中、整体结构及构建中的刚度理论进行探究，以期为广大的研究者提供参考。

关键词：刚度理论；结构设计；抗震

在进行结构的布置和分析当中，设计师一般会对“力”更加重视。正因如此，有时候会忽视了结构、构件的变形能力等。通常说来，其变形协调和内力，一般都由改善连接构件间的相对刚度来完成。要想使得建筑物在使用过程中承受风力或者地震的影响，就必须重视刚度在设计中的作用。

1结构设计过程中的刚度理论

通常情形下，对于建筑物而言。判断其好还是不好的标准，往往就要看它结构方面刚度与构件的相对刚度控制合不合理。在结构设计当中，对于结构布置和构建截面进行调整，为的就是要使结构的刚度达到相关要求。只是在设计当中，这方面的意识有多强，是以设计的基本概念和规范来体现的。比如，在高层建筑中，其结构设计的全过程，都离不开刚度概念。

1.1侧方向变化的结构

在高层建筑当中，如果是侧方向的连续均匀变化，其整体曲线是比较光滑的。这种情形下，不管在哪一个楼层，都没有位移突变的存在，这也使其不会有薄弱的地方。对于这种结构而言，其刚度非常理想，就算是高层建筑遭遇地震。也不会发生倒塌现象，对人们的生命才财产安全也就不会有严重威胁了。但是，如果是另外一种情况的话，在有发生突变现象的高层建筑中，在刚度发生突变的地方，就会形成较为薄弱的地方。在这个区域，盈利比较集中，塑性可能会产生很强的变形。这种情形下，一旦遭遇地震等强烈的震动，就可能受到破坏，甚至是倒塌，引起重大损失。如果高层建筑中具备转换层，要求是低位转换层，不应为高位转换层。并且，在转换层的上下层中，其抗侧刚度应当具备良好的连续性，而非突变性。所以按照相关的规范规定，其底部的一至二层大空间的剪力墙结构，转换层上下层的剪切刚度应当与1相接近,如果属于非抗震设计时，那就应当小于等于3，而抗震设计时就应当小于等于2。对于后半转换结构的转换层来说，上下层变形曲线也会发生突变现象。所以，厚板转换层结构通常不会被采用。

1.2结构主轴方向的侧向刚度均衡

对于这种均衡来说，它能够对结构的扭转效应起到良好的抑制作用。这种结构在两个方向或多个方向动力的特征比较相似，发生扭转效应在表面看来并不是很明显。一旦遇上地震，或者是强风，结构的主轴平动仍然具有优势，变形也较为简单，这对结构的安全性能来说是非常好的。所以，在结构设计过程中，对于抗震结构的要求方面，其平面长度和宽度的比值较小，两方向的抗侧力构件一定要均匀、分散、对称分布，这才能保证高层建筑在使用中的安全性能。

1.3平面刚度无穷大的结构

对于刚性高层抗震结构来说，可以使竖向构件承受的水平力按照抗侧力刚度分配，这从计算数学模型中能够得到证实。通过这样的理论来对结构进行设计，最终能够得到很好的效果，使得高层建筑的安全性能够得到很好的保证，分析构建的内力也会较为精准。否则，楼盖可能因为没有具备无限刚性而留下隐患。例如在高层建筑当中，楼层的凹凸或者打开洞口既深且长，就算是使用相应的变形程序来对它进行计算，也极有可能无法精确地知道书香构建的内力是多少。这种情形使得结构工程师希望在建筑过程中，建筑师能够根据他的意愿，使楼面变为刚性。即使因为某些原因无法实现，也要最大限度地接近刚性。

1.4防震缝的设计

尽管某些建筑平面的使用功能已经非常良好，但是还会存在薄弱的地方。在这些薄弱的地方，其平面刚度会发生突变现象。就算使用比较精准的电算程序来计算，或者采取其他一些措施来进行弥补，都没办法使薄弱地方的构件抗震作用加强，也没法使其抗变形能力增强。这种情况下，就需要设置防震缝，以便能够从这个薄弱位置着手，把建筑物分成比较独立的单元结构。某些框架结构处于高烈度区域，可以在其量变设置抗装墙，这能够使防震缝的破坏程度减小到最低程度，并且能够很好地应对平面刚度的突变。

2整体结构及构建中的刚度理论

2.1柱构件中的刚度概念

在框架结构当中，柱构件布置时，柱子界面的高度和宽度之比有着不同的取值，也就是说，其界面的尺寸不同，在两个柱子方向的摆向将会产生较大的刚度差异。同时，两个方向的梁，其界面的尺寸大小，也会对侧向刚度的强弱产生一定影响。在设计结构的时候，需要将这个特性应用到设计当中，借此实现两项刚度达到均衡。比方说，在某个建筑结构当中，其平面的尺寸是AB几乎相等，则h和b也几乎相等，柱子就需要按照这个理论来进行布置。如果建筑平面是属于长方形，而两项侧向刚度又有一定的差别。想要使得B向刚度符合要求，就应当要按照h和b的较大比值来进行设计安排。同时，h和B是平行的，不能够相反。不然的话，整体刚度的差距就会拉大，对于防风和抗震来说，都是非常不利的（见图1）。这种情况在筒中筒结构和框架-筒体结构的高层建筑中体现得较为明显。框架通体结构中，其侧向刚度是各榀框架-剪力墙来组成的。所以，外框架柱的h向要同其计算方向想平行才能够满足要求。

2.2剪力墙构件里的刚度概念

在竖向构建的刚度方面，柱要远低于剪力墙。所以，布置结构的时候，剪力墙的数量、位置、形状和截面尺寸等方面，都在一定程度上影响到结构刚度。在这个过程中，刚度得到了相当充分地体现。从刚度方面来看，将力强应当具备一定的数量才算合理。这种合理性通常指的是剪力墙的数量不能够过少，如果跟设计要求不符合，就可能导致建筑物不能够防风和防震，这是设计的大忌。同时，剪力墙的数量也不能够过多，否则可能导致结构的刚度过大，会影响建筑的抗震性能，这也会使工程成本提升。因此，剪力墙的数量要合理。

2.3构建相互作用中的刚度概念体现

（1）楼板和梁相连，梁的刚度决定板边界。在钢筋混凝土结构当中，梁截面的形状由举行变为L或T形。这使其抗弯刚度和抗扭刚度都在很大程度上增强了。在对其进行计算的时候，就是依靠这个原理来分辨边、中跨梁刚度增大系数的。对于梁的抗扭刚度来说，板的边界条件受到抗扭刚度大小的严重影响。如此一来，如果抗扭刚度较大，半跨中的弯矩和挠度就会很小，反之就会很大。

（2）楼盖和纵向抗震墙的刚度。在多层或高层剪力墙结构、多层砌体房屋结构当中，抗震强的发挥受到了楼盖刚度的影响。抗震墙承受着一定的水平剪力，这依靠楼盖的传递才能得以实现、所以，楼盖的刚度必须符合一定的要求。在宏观意义上来对此进行衡量，对抗震墙的间距应当有所控制。这个间距不能够过大，否则的话，可能因为受力不均匀是抗震效果大打折扣。如果建筑物比较长，又是长方形的。监狱楼面的混凝土收缩、温度等方面的应力作用，对楼层产生的影响比较明显。这个时候，一旦在纵长方向的抗震墙对楼盖影响过强，就可能导致裂缝的出现。

3结束语

在建筑结构的设计当中，必须要使其结构复合安全的要求，这是最重要的前提条件，也是成本控制的要求。想要实现这样的要求，就必须在进行设计的时候，围绕“力”这个因素来进行。不过，仅仅这样是不够的，因为“力”不是是影响结构的外在条件。还需要结合刚度理论知识，在设计当中处处考虑刚度因素所带来的影响，用较为灵活的手段应对，这对结构设计才能起到良好的推动作用。

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