应用于工程结构设计中的刚度理论分析

摘要：刚度指的是单位变形所需要的里的大小，包括位移及转角等变化，是对作用力产生变形的限制，也是工程结构的内在本质，刚度理论在工程结构设计中的合理运用，能对工程结构整体形成一个宏观的控制，对结构进行定性定量的分析，对不安全因素做到避免或及时排除，使得受力合理，并且对经济效益提供保障。设计师在进行结构设计时，就需要根据工程的实际情况，对刚度理论进行具体的分析，寻求合理运用的方法，以达到社会效益和经济效益的共同提高。

关键词：结构设计；刚度理论；概念设计

1 引言

结构设计包括结构布置、结构计算分析两个阶段，一般而言，设计人员会对“力”的概念，即荷载的产生极其数值的大小予以更多的重视，而忽视了结构或构建对外力抵抗的变形能力。刚度是一个反映构件内在联系、影响构件内力及变形相互关系的概念，因此，工程设计师必须对钢结构予以足够的重视，熟练运用相关知识，在结构设计中做到对刚度理论的合理和灵活运用，避免不安全因素，消除结构隐患，保证构件和整体结构的荷载力，在保证质量的前提下，同时追求工作效率的提高和经济效益的最大化。

2刚度理论概述

刚度概念往往贯穿于整个结构设计的始终，刚度构件和相对刚度控制的好坏直接影响了建筑物结构设计的优劣，结构设计中的结构布置和构件截面调整都是为了寻求一种相对合理的结构刚度，以高层建筑的抗震结构为例，肯容易看出：

一般的工程结构设计流程如下：弹性刚度――内力分析――构件塑性设计―正常使用极限状态验算。仅仅在“正常使用极限状态验算”下使用配筋后的构件真实刚度来计算，弹性刚度和考虑混合材料后的真实刚度是不同的。而且，绝大部分软件都是仅对构件截面刚度，而不是体系真实刚度进行验算。如：框架中的梁，计算刚度时的“混凝土有效抗拉截面”取值，基本上没考虑翼缘的影响，造成大部分框架梁梁端裂缝计算过大，进而影响配筋。

根据相关章程的规定，刚度折减与考虑配筋后的截面刚度不是一个概念，它仅针对考虑二阶效应的弯压构件有关，是种数据向结果的模拟，而混合材料刚度与弹性刚度的不同是因为材料因素。

考虑配筋率对截面刚度的影响，其实就是考虑配筋对结构弹性刚度的影响。此时可以采用三轮计算法：

（1）弹性刚度――内力分析1――构件塑性设计――正常使用极限状态验算（调整配筋）――

（2）调整后刚度（拟刚度）――内力分析2――构件验算（调整）――正常使用极限状态验算（调整）――

（3）真实刚度――内力分析――构件验算――正常使用极限状态验算――完成

3 刚度理论在结构设计中的体现

刚度理论时刻指导着结构体系的确定和单一构件的设计，因此，设计时必须对刚度理论予以足够的重视，才能将结构安全和安全度控制在一个合理的范围内，同时又保证达到预期的经济效益。想要做到这一点，就必须是的刚度理论贯穿于整个施工过程的始终，仅从施工图设计阶段来运用时远远不够的，因此，在建筑方案和初步设计阶段就应该将结构刚度理论运用其中，设计师必须具有一定的结构刚度理论知识，设计出始终如一的结构设计建筑，仅靠后期的补救是无法建设出优秀的建筑的，尤其在高层和超高建筑中，刚度理论的由始至终更加起到重要作用。

一般而言，参加设计的结构工程师都具有较为强烈的刚度理论观念，工作中如能积极配合建筑师的创作，就能够创造出建筑与结构相结合的优秀的建筑作品。

刚度理论在整体结构和单一构件设计中的重要作用主要可以体现在以下方面：

3.1 结构体系的演变是结构整体刚度要求的体现

以钢筋混凝土结构为例，社会发展中，建筑高度也不断增加，对其防风抗震级别也不断提出新的要求，结构体系也随之产生了一定的变革，又传统的纯框架结构，演变出框剪、剪力墙等结构，随着结构层数的增多，风荷载和地震反应也越来越大，因此对结构整体的刚度要求也就越高，越来越大的结构体系也就应运而生。

3.2 长宽比、高宽比的限值是对高层建筑结构宏观刚度要求的体现

高层建筑对结构单元平面的长宽比A/B，竖向的高宽比H/B皆有一定的限制，表面上看是对港城建筑体型尺寸的限制，即对宏观三位空间尺寸的限制，而实质上却是对结构整体，包括整体刚度的大小和平衡进行的宏观控制，通过这一控制实现建筑方案设计阶段的设计雏形在结构设计中的具体实施。并尽可能的为合理的创造效果创造条件。

3.3连体高层建筑是结构对整体刚度的要求

人们同城将连体高层建筑看作是一种新兴的建筑风格，实际上，由于单层高塔的建筑高宽比太大，刚度不足，设计者和投资者又无法降低高度或增加宽度以达到整体刚度的提高，这样就只能借助于两座塔楼直接的某一部分相连接，使得相互独立的两座塔楼形成相互依傍的形势，而获取较大的刚度，这就促成了连体高层建筑的产生。这种建筑的连体结构自然而然的起到了结构稳定的作用，形成了一种新奇巧妙的建筑风格。然而，连体建筑对然加大的局部刚度，却由于两座建筑的相连，会产生结构整体竖向刚度不均匀的情况，使得受力不匀，震害加剧，为结构分析带来了更大的难度，因此从抗震角度来看，连体高层建筑并不是立项的建筑形体。

3.4在板式构件中的刚度理论

3.4.1矩形平面楼板

矩形平面的楼板按照其港服的比划，可以分为单向板和双向板两种情况，便面看来，其划分原则主要以板的长短边的比例作为依据，实质上是因为板的两个方向的刚度比值决定了荷载的传递方式，当两方向刚度接近或相等是，荷载会沿着双向传递，相差较大时则会单向传递，并且是沿着刚度较大的那个方向传递，因此，板的单双向应该是由板的纵向和横向刚度比例来划分的。

3.4.2楼板边界条件

楼板边界条件主要有邻板刚度比决定，对楼板进行计算时，运用弹性理论，其支座边界条件的确定方法主要是将邻边楼板假定为简支边，当双向板厚度较大，而邻边板厚度较小，切相差较为悬殊时，就不易采用固定交边梁的办法。又如支承端的跨板的边梁如果是宽扁梁，这是的边梁可以同时作为楼板的固定端，实际配筋构造要求与计算相一致。

3.4.3梁构件中的刚度理论

建筑角部边梁的荷载由刚度大小分担，楼层角部相交边梁的截面尺寸一般都是一致的，因此，当线刚度相等时，则为双向悬臂梁，评分板上传来的荷载，而线刚度不同时，则可看成主次梁结构，短跨的看着做主梁，长跨的看做次梁。因此在实际设计中，为了保证安全，就必须按照两种支承的验算关系来对配筋进行调整，双悬臂时，需要加强长向亮的梁筋底，主次梁时则要对长向梁的面筋进行加强。

4 建筑结构优化的具体途径

结构工程师必须树立经济的观念，经济的进行工程建设是工程师的责任。结构设计中无限的加大，肯定会造成浪费，也不一定就能带来安全。设计单位应加强结构设计的优化管理，进行方案比较与分析，提倡精细化设计，关注细部，重视对设计全过程的控制。

建设单位应尊重设计人员的劳动，科学对待建筑结构设计的技术质量与经济质量，选择有效的合理的方法进行设计优化工作，争取与设计单位达到双赢。

全理论话或用计算机进行的的结构设计优化方法一直在研究中，一些概念性、经验性的优化方法在工程优化设计中还将发挥很大的作用。不同的结构体系在优化时应有不同的侧重点，抓住重点与要点，可有效地进行结构设计的优化工作，达到期望的效果。

影响结构设计经济性的因素很多，应分析这些因素，处理好安全、规范、材料、建筑方案、施工、工期等各方面关系。

结构设计优化决不能牺牲结构的安全度及抗震性能，优化掉的只能是不必要的浪费。这是结构设计和结构设计优化的最基本原则。

参考文献：

[1]张元坤、李胜勇，刚度理论在结构设计中的作用和体现 建筑结构，2003

[2]徐传亮，刚度理论在工程结构设计中的应用，同济大学土木工程学院，2006