浅谈刚度理论在结构设计中的应用

摘要：随着技术的发展，应用在建筑工程领域的技术也在不断更新，建筑工程的关键就是结构设计，结构设计外部结构和内部结构。外部结构包含力的平衡、结构或构件的协调；内部结构则包含的影响因素“刚度”，刚度是对外部结构的体现，例如绝对刚度、线刚度等。涉及到刚度理论，即对建筑工程的结构进行整体的控制，并进行相应的分析，避免不安全因素的产生。文章通过一定的案例分析，论述刚度理论在结构设计中的具体应用，最大限度地降低工程的风险，获得最大的收益。

关键字：刚度理论；结构设计；应用

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A

引言：高层建筑日益朝着综合性方向发展，高层建筑结构的建设越来越广泛，很多的高层建筑在整体结构上的布置越来越具有功能多样化的特点，不仅给人们提供了良好的生活条件，而且提供优越的工作环境。建筑结构分为外部结构和内部结构，外部结构包含力的平衡、结构或构件的协调；内部结构则包含的影响因素“刚度”，刚度是对外部结构的体现，例如绝对刚度、线刚度等。总的来说，外部结构是通过内因从而引起结构的反应，工程结构的变形协调等不安全因素也是通过内部刚度来完成的，因此在工程的整个设计过程中，刚度理论的作用不容忽视。如何将刚度理论合理地运用到结构设计中，调整结构的整体刚度，优化结构设计，文章将在具体的案例分析中进行探讨。

一、刚度理论在平面内分布的应用

中国近期一直发生地震，如汶川、玉树等，对于地震区的建筑结构来说，结构设计应该尽可能简稳一些，不要太突兀，即地震区要求的建筑就是平面内的刚度均匀。从专业的结构设计角度来说，就是要将“刚心”与“质心”离得相对近些，从而减少地震发生时的扭转效应，与此同时还要求结构的承受荷载的能力较强，必要情况下还要保证建筑结构的抗扭刚度。即在进行刚度理论的应用时，应该尽量使建筑结构对称、均匀，这样做的目的就是使平面的刚度平衡，并且尽可能使承受荷载的动力方向相近，如果建筑物的结构比较复杂，很难调整，我们可以在中间设置防震缝，把单一较大的单元分成若干个晓得单元进行结构的设计。

一般情况下地震中建筑物的倒塌都是由于建筑结构内部之间的扭转作用造成的，因此在进行刚度的调整与应用时，可以改变建筑结构的扭转性能和抗扭的能力，从而增强建筑物的抗震能力。扭转结构的破坏引起地震，刚度均匀可以减少这种破坏力。现在大多数的建筑都是剪力墙结构，但是由于其布置在一端不能有效防止地震的发生，因此要在此建筑上布置扭转度较大的大刚度的抗侧力单元，如果剪力墙是对称的，这样本身剪力墙的布置就会减小扭转，剪力墙周边布置也是也可以增加结构的抗扭刚度，从而减轻地震的伤害。除此之外，如果平面上的质量产生偏心，也会引起一定程度的扭转，这样也就要求刚度理论发挥其作用，增加结构的抗扭性能，增加抗震能力。

工程实例1

凤仪园24#楼工程，地上10层均为住宅，地下2层为储藏室，建筑面积5897.58平方米，剪力墙结构，建筑物高度为28.900m，室内外高差为1.2m。基础形式为筏板基础。主体结构使用年限50年，建筑结构的安全等级为二级。结构抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为丙类。地震作用按7度考虑，抗震措施按7度设计，建筑结构安全等级为二级，基础安全等级为二级；建筑场地类别为II类。结构形式为框架一剪力墙。

对于此工程的施工，有工作人员提议只要在建筑结构的中部电梯井处设置成抗震等级为二级的混凝土剪力墙就可以，考虑到抗扭之间的耦联，用计算机相关软件计算结构的自振周期如下：

15种振型的扭转系数表

从表中可知，剪力墙并没有设置在主体的中间，而是偏北一侧，这样就导致结构的刚度明显地减小，即这样设置剪力墙是不安全的，在遇到地震时，由于抗扭刚度的不足，将会导致两边结构围绕中轴进行扭转，给建筑的使用造成严重的威胁，从刚度理论的角度看，此方案明显不可取。

另有一部分总结方案一存在的缺陷，并汲取其中的优点，认为剪力墙可以布置在建筑物，方案一中的缺陷就是没有使建筑物的质心与刚心靠近，这是由于电梯设在偏北并没有设置在建筑物的中间，为了弥补这一缺陷，应该在偏离电梯井处设置一定数量的剪力墙。由于建筑方案及立面要求，剪力墙不能布置在外墙上，在不影响建筑使用功能的前提下，在相对对称的轴上布置剪力墙(250mm厚)，在两端楼梯间位置布置L形剪力墙，楼梯间的剪力墙和电梯间的剪力墙适当减薄，这样一来在两个主轴方向均有剪力墙，且分布比较均匀。

二、刚度理论在高层转换板式结构设计的应用

厚板式主要用于上下柱网轴线很多的情况下，单一的梁不能作为承受体时，就要把梁做成厚板，形成厚板式转换层。这种结构的优点是刚度较大，结构布置方便，但自重大且耗材量大，受力和传力都不清楚，给钢筋的配置带来了麻烦，而且计算麻烦。

高层建筑的转换层在设计中应遵循以下原则：

第一在设计中要尽量减少竖向构件。贯穿落地的竖向构件越多，那么转换层设计就越来越少，而且这种结构可以很好的满足抗震的要求。

第二转换层的设计中要求有足够的刚度。保证内力合理的分配，要求梁的高度大于等于跨度1/6，转换梁具有很好的受力能力，可以在结构中起到很好的转换功能。

第三高层建筑的转换层的布置应该低一些。转换层布置较高时，框架剪力墙结构在每层容易发生刚度和内力的变化，这个部位形成薄弱部位，不利于抗震的要求。实际工程中必须要采用高布置时，设计中要综合弯曲、剪切和轴向的整体刚度，这样可以减少内力突变。

其次笔者认为楼板的边界条件取决于相邻板的刚度比，如果按照弹性理论介绍时，具体计算过程如下：第一是如果楼板临边仍是楼板，那么把其看做是固定端，如果临边没有楼板，则假定为简支边。笔者认为这样计算不太精确，应该严格按照刚度理论，把相邻构件的刚度比作为确定边界条件的依据，但是如果双向板为整间大楼板（即板厚度较大），而邻边为小跨度板（ 即板厚度较小），由于两者的刚度相差过于悬殊，往往就不宜以固定端对待（对于小跨度板来说，当然是固定端）。

结语：刚度理论是研究结构设计的内部因素，呢哦不因素在一定程度上决定了整个建筑物的承受荷载的能力。目前刚度理论的设计和原则还不完整，需要业内人士的不断研究取得更专业的设计方案。在施工过程中，由于构件的复杂性和受力的多向性，使得对构件的支持系统要求很高，因此在施工过程中要严格对质量进行控制，采用针对性的措施方案解决构件的空间问题、部件设计和连接问题，切实做好整个工程的质量监控，才能保证整个建筑主体的质量。

参考文献：

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【2】牛慈勉、尹小明，概念设计的意义和应用分析，建筑技术，2005(8)

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