分析刚度理论在结构设计中的作用

李帅

【摘要】本文简要介绍了刚度的含义，并对刚度理论在结构设计中的应用进行了分析。运用刚度理论能有效的计算出各抗侧力的构件的内力，通过设置防震缝，可以减少建筑物遭遇地震时所受的破坏。而且对于侧向刚度的均匀连续变化的高层建筑不会产生突变。研究刚度理论在结构设计中的作用，对提高工作效率，经济效益都有重要的现实意义。

【关键词】刚度理论；结构设计；线刚度

一般情况下，在结构设计中的设计人员比较偏重力的概念。通常设计人员在结构布置与计算分析的时候比较关注荷载的产生和数值的大小。从而往往忽视影响构件内力的变形火车构件抵抗外力的变形能力等概念。同时改善连接构架之间的相对刚度或是构件自身的线的刚度是结构中的变形的协调的内力的产生的。而且内部刚度是地震、载荷、建筑物的自重等外部结构因素中的重要因素。在结构设计中科学的运用刚度理论，不仅能够消除结构隐患，还能获得最佳的经济效益，对于建筑结构设计人员，采用刚度理论能更好提高工作效率，缩短工作设计时间。最终设计出刚度适中的结构设计。本文研究刚度理论在结构设计中的作用，具有重要的理论意义与现实意义。

1 刚度的含义

刚度是工程结构的内在本质，结构刚度就是结构能够限制作用力所产生变形的性质。在结构设计过程中的结构布置和结构计算分析阶段，结构中力的平衡。变形的协调以及由此产生的构件内力，都是通过构件自身的线刚度以及连接构件之间的相对刚度的大小来体现的。

2 刚度理论在结构设计过程中的应用

一幢建筑物的结构设计行与不行和好与不好，关键在于结构的整体刚度和构件的相对刚度控制得是否恰当合理。事实上，结构设计人员在结构设计过程中所进行的结构布置和构件截面的调整，都是在寻求一种合理的结构刚度，而结构设计的基本概念以及结构设计规范的原始精神都是围绕着刚度这一基本原理来展开的。

2.1 地下室顶板具有一定的平面刚度才能够作为上部结构的嵌固端

地下室顶板作为上部结构的嵌固端是保证上部结构的地震剪力能够通过地下室顶板传递到整个地下室结构的抗侧构件，此外还能够保证上部结构在地震作用下的结构变形以地下室的顶板为支撑。在整个结构计算中肩了有效的需求较为准确的内力以及变形等计算结构应当按照规范中的定性与定量对地下室顶板的规定进行设置。

2.2 能够有效的计算出各抗侧力构件的内力

高层抗震结构的楼层是刚性的，则能够保证结构的竖向构件所承受的水平力是按其抗侧力刚度分配的，从结构分析的计算数学模型假定到结构的真正受力状态都能一致地反映这一点。按此设计出来的结构，其安全度是有保证的，其构件内力分析是较准确的；相反，楼盖形成不了无限刚性。比如楼层大开洞口或凹凸太深太长，即使采用考虑楼板变形的计算程序进行计算，也很难准确了解和掌握其各竖向构件内力的大小。

2.3侧向刚度沿高度均匀连续变化的结构不会产生突变

对于侧向刚度的均匀连续变化的高层建筑来说，在水平作用力的条件下整体的变形曲线是光滑的在任何楼层数都不会产生位移突变。因此也不存在薄弱的部位，这样的结构即使在遭遇地震时也不会倒塌。对于侧向高度突变的高层建筑来说，在楼层刚度突变出形成薄弱的部位，产生应力集中，便会造成塑性变形大在遭遇地震时容易倒塌。

2.4 设置防震缝

解决平面刚度突变的最好方式是设置防震缝。通过设置防震缝，可以保证建筑平面薄弱部位的构件的抵抗地震的强度和变形能力。因为在建筑平面的薄弱部位及时采用科学的电算程序进行计算，也不能保证建筑的抗震能力。因此设置防震缝，在防震缝的两侧设置抗撞墙。从薄弱的部位将建筑分为独立的结构。从而减少防震缝两侧遭到的破坏。

2.5剪力墙的连梁尺寸可以更好地发挥开洞剪力墙的作用

框架一剪力墙结构体系中，由于其中的剪力墙是零星，分散布置的，所形成的结构整体刚度不太大，为了增强结构整体刚度，使其中的剪力墙成为主要的抗侧力构件，故规范规定“一、二级抗震墙的洞口连梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm”连梁的刚度不宜太小；相反，在剪力墙结构体系（包括部分框支抗震墙结构体系）中，由于墙体多且密，所形成的结构整体刚度往往过大，不仅吸收地震能量大，对结构受力不利，而且会造成结构造价的上涨，因此，规范规定“将一道抗震墙分成长度均匀的若干墙段，洞口连梁的跨高比宜大于6”，意即要求连梁的刚度不宜太大。这是有目的地控制剪力墙连梁刚度，将结构整体刚度调整至合适程度并使开洞剪力墙发挥更大作用的显著例子。

3 刚度理论在构件设计中的体现

刚度理论在剪力墙构件中的体现剪力墙和柱同属结构的竖向构件，但剪力墙在其平面内的刚度远远大于柱，因此在结构布置中，当有剪力墙构件时，剪力墙的截面尺寸、数量、位置和形状等对结构的刚度的影响举足轻重，刚度理论在其中的体现更是十分突出。从早期的墙率（单位建筑面积中剪力墙截面积）探讨，到以刚度为计算参数的剪力墙最低数量的各种各样的简化公式的展示，无不从刚度角度出发，探索剪力墙合理数量的规律。

3.1刚度理论在剪力墙构件中的体现

（1）框一剪结构中的剪力墙宜设置在墙面不需要开大洞口的位置以便形成刚度较大的抗侧力构件。框架一剪力墙结构中的剪力墙，其片数总是有限的。为了使其起到主要抗侧力构件的作用，每片剪力墙都需要具有一定的刚度，如剪力墙开大洞口，则其刚度大大地被削弱，这将与设置剪力墙的初衷相违背，因此宜将剪力墙设置在不需要开大洞口的位置上，这是从刚度理论出发对框架一剪力墙结构中剪力墙最佳位置选择的一个基本原则。

（2）刚度过大的较长剪力墙，宜开设洞口将其分为多肢剪力墙 较长的剪力墙由于墙的高度与墙宽之比减小，外框架一筒体结构外框筒一筒体结构平面内刚度相当大，地震时易遭受剪切破坏，而在抗震原则中，应做“强剪弱弯”，结构构件的剪切破坏是要避免的。为了达到此目的，需将较长剪力墙通过开设洞口，分成较均匀的若干墙段，即将刚度很大的单肢墙通过开洞口变成双肢或多肢墙，使各墙段的高宽比大于2，避免剪切破坏，提高其变形能力。这是合理控制剪力墙刚度的一个例子。

3.2刚度理论在构件相互作用中的体现

（1）構件的线刚度与一荷载的传递产生的内力有很大的关系。在相同力的作用下，在同一共同力的作用下，线刚度大的，构件产生的内力就大，反之，在相同力的作用下，刚度大的构件变形就小。因此，结构设计中，工程师都要考虑刚度的作用，因为刚度在结构设计中的具有很重要的作用。

（2）按照梁柱线刚度的比例分配梁与柱的链接点处的力矩。其应用的是力学力矩分配法的基本原则。由于边节点参与弯矩分配的杆件数少于中节点。因此梁柱节点处杆件所承受的弯矩值要比中节点要大，特别是顶层边节点，这事顶层边柱与顶层框架梁配筋较多的主要原因。

4 结束语

综上所述，刚度理论是结构设计的基础，将刚度理论灵活运用到工程中，能做出更好的结构设计，不仅能够保证建筑结构的安全，还能实现经济利益的合理性，对我国未来工程师的要求是利用刚度理论设计出刚度适中的结构设计，是工程师设计的最终目标。本文对于刚度理论在结构设计中的研究仍有不足之处，希望相关学者对其能有深一步的研究，相信我国的建筑结构设计能有更大一步的发展。

参考文献：

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