关于结构设计中刚度理论的作用和体现

【摘要】单元产生位移以及转角等变形现象所需要的力都被称作为刚度，刚度带有极强的限制作用力，会改变原本物质的力学性质，其更是建筑工程结构的内在本质。在整个建筑工程项目开展过程中，结构设计是其中一个非常重要的环节，对保证整个建筑的安全性和可靠性有着重要的影响。对于高层及超高层结构，刚度控制尤为重要，结构设计人员能否快速准确调整结构刚度，决定了结构设计全过程的工作效率。

【关键词】建筑项目;结构设计;刚度理论

随着时代的不断进步，科技水平的不断提高，我国的经济发展也越来越好，并且建筑行业发生了突飞猛进的发展，企业对于建筑方面的投资也不断的增大，居民对于日常生活居住的环境要求也越来越高。目前建筑工程项目中，高层建筑也越来越常见，建筑结构设计作为建筑工程建设的依据和前提，对施工起指导作用，只有保障建筑结构设计的安全、可靠、合理，才能确保施工的安全有序进行，保障施工的质量和效率。

1、建筑结构设计概述

建筑结构设计作为建筑工程项目建设的依据与前提，对施工起指导作用，必须在施工前完成，场地地貌、当地气候和地理位置等因素都是建筑结构设计必须要考虑的内容。当启动项目建设时，设计阶段是最为关键的环节，只有保障建筑结构设计的安全、可靠、合理，才能更好的保障施工安全有序进行。

把抗震理念引入到建筑设计当中，可以明显提高建筑的抗震性能，具有非常重要的意义。建筑设计是建筑抗震设计的前提条件，必须协调好两者的关系，才能够让抗震性能达到最佳，在确定项目建设设计方案后，就很难再对建筑空间布局进行较大范围的调改，如果建筑布局不能使建筑结构方案布置具备良好的抗震性能，仅在结构设计时，利用抗震构件的构造措施来使建筑物的抗震性能得到提升，这并不是一种最佳解决抗震问题的办法。在建筑设计的过程中，使建筑方案的规则性以及结构布置方案都能充分的考虑到其抗震性能，才有利于提升建筑结构的抗震性能。

2、建筑结构设计工作要点

2.1建立合理的结构计算模型

目前，结构设计基本上借助计算机程序模拟计算，半自动化出图。计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构的实际工作状况。

2.2合理设置结构计算程序参数

在当前，国内常用结构计算程序有PKPM、盈建科、广厦结构、3D3S、SAP2000、MIDAS等，各款软件差异与共性相存。在使用具体软件时，应该认真阅读软件的使用说明书，了解其每个控制参数背后的意义及适用条件。

2.3严格内审制度

建筑行业经历了蓬勃发展期，设计企业随之野蛮生长，导致目前设计行业无序竞争，各设计单位一线生产人员水平参差不齐，且大多设计院存在挂靠现象。再加上甲方随意压缩设计周期及大量“三边工程”（边设计、边施工、边报建）的实施，导致设计质量不可控因素增加，设计质量大不如前。因此，必须严格执行施工图设计的内审制度，提升设计质量，降低设计风险。

3、建筑结构基础设计中存在的问题

3.1地基场地选址

越来越多的人员涌向城市，使得城市的住房需求量逐年累增，房屋用地也由此变得日趋紧张，为缓解供地紧张，新建建筑的高度也是在不断增加，因此，高层建筑对建造场地的要求也是越来越高，选择适宜建筑的场地变得尤为重要。高层建筑的地基应尽量选择坚硬土，或土质较均匀的中硬场地土，不宜建造在有湿陷性土质、较软场地土上，避免建造在容易发生滑坡、塌陷等抗震不利地段。地基的质量对建筑物的抗震能力有着至关重要的影响。

3.2基础型式选用不当

高层建筑的基础型式种类繁多，地基处理方法也相对较多，工作人员设计时往往会选择单一的基础型式，对自己不熟悉的不常用的基础型式不敢做出选择，但不同地区的场地土质往往差别较大，处理方法也不尽相同。因此，应因地制宜，根据建筑特点及场地类型选择合适的基础型式，不仅能获得更好的建筑抗震承载性能，还能使得建造成本更加经济。

4、刚度理论在高层建筑结构设计中的作用和体现

4.1刚度理论的体现

（1）刚度理论在板式构件中的体现：矩形平面板一般情况下按照两向刚度进行划分，分为双向板和单向板。在对支撑楼板计算期间，当其长和宽的比值大于2时，就会导致荷载主要沿板短方向传递，但是当长和宽的比值小于2时，就会导致荷载按照双向传递方式进行。总的来说，刚度的比值直接决定荷载传递方式，总结规律为刚度比值接近时，荷载以双向传递的方式进行，否则荷载就会沿着刚度相对较大的方向传递;

刚度理论在梁构件中的体现：要形成多跨次梁计算简图， 便需要立足于支座部位主梁刚度来实现。设计多跨连续次梁最重要的是要求主梁的刚度要远大于次梁的刚度，这样才能保障主梁成为次梁不变性的支撑点。而对于十字梁来说，要分析荷载的传递形式，就需要从两个方向梁的线刚度比值方面着手。如果两向梁的跨度与截面相接近，并且比值接近1时，荷载的传递方式为双向传递。如果两向梁的比值较大时，荷载主要为单向传递，线刚度大的粱会承受更多的荷载。

（2）要处理好建筑结构平面刚度突变的问题。如果为了保证建筑平面良好的使用功能，导致出现薄弱部位，平面刚度產生突变，即使采用“精确”的电算程序进行计算和多种构造措施加强，都很难保证该薄弱部位构件抵抗地震作用的强度和变形能力时，通常采取设置防震缝方法，从该位置将建筑物分成独立的结构单元。对于高烈度区的框架结构，为了减小防震缝两侧碰撞时的破坏，有时需要在防震缝的两侧设置抗撞墙，这是处理平面刚度突变的最佳方法。

4.2刚度理论的应用

（1）上部结构刚度对基础设计的影响。上部结构、结构基础与建筑地基是一个不可分割的整体，三者共同工作，协调变形才能使建筑物更好地发挥其使用价值。在进行建筑结构抗震设计时，通常的做法是假定建筑结构的地基为刚性地基，然后将基础或地下室顶板作为上部结构的嵌固端进行设计计算。这种设计方法将基础刚度考虑为无穷大，使得建筑上部结构的刚度要大于实际情况，导致地震作用计算时的影响被过大估计，这种设计方法使得建筑抗震设计整体偏于安全，造成一定的经济浪费，还可能会导致局部抗震构件的地震影响不能被充分考虑，有一定的安全隐患。如果不进行上部结构的嵌固端假定，在抗震设计时考虑结构的基础刚度，即将基础刚度按实际情况考虑为有限值，上部结构的自振特性会因为基础刚度而发生改变，在地震作用下，结构的内力和变形也会随之改变。所以，基础刚度对高层建筑结构的地震效应影响分析将是非常有必要的。

（2）基础刚度对高层建筑结构的影响。高层建筑结构在考虑基础刚度后，结构的整体刚度会相对变小，自振周期会相应变大，在地震作用下，建筑结构的绝对刚体平动和转动位移也会出现增大，同时，由于结构的重力二阶效应，会进一步导致结构倾覆弯矩的增大，这将不利于建筑结构的整体稳定。因此，加强基础刚度，不但可以提升建筑结构的抗震性能，还可使建筑结构在外部荷载作用下更趋于稳定，使建筑的侧移值降低，但应控制基础刚度的变化范围，否则会增加建造成本，造成经济浪费。

建筑结构整体计算考虑基础刚度后会使结构构件内力作用产生变化，通过对建筑结构嵌固端模型的计算，可以对比得出结构构件内力发生变化的位置，从而有针对性地对薄弱构件加强设计，这将明显提升建筑结构的整体抗震性能。

对高层框架结构，考虑基础刚度后，底层柱底截面的弯矩值相比嵌固端模型计算结果有所减小，但底层柱顶截面的弯矩与之相比增大不少，这说明采用嵌固端的设计方法会导致底层柱顶偏于危险，柱底偏于安全，且随着基础刚度取值的不同，这种变化更趋于明显。因此，在对高层建筑结构框架柱设计时应重点加强变化部位，使其能够满足该结构所需的抗震性能要求。對于高层剪力墙结构来说，因其上部分结构刚度相对大，考虑基础刚度后，会出现刚体平动和转动变形的情况，就高层建筑来说，结构的侧移是结构安全的关键指标，必须要明确规定结构的位移标准。因此必须要严格控制高层剪力墙结构基础平动与转动刚度，确保其在结构位移规定范围内，保障结构质量以及抗震性能。

结语：

综上所述，结构设计就是为了确保结构整体的质量和安全。即在满足结构整体性能的前提下，确保其能够达到相关结构设计规范要求，并实现设计的经济化，保障后续施工安全有序进行。因此，在进行结构设计过程中，必须要重视刚度理论的应用，将刚度理论作为结构设计的重要基础，同时还要在实际的工程项目中科学的应用刚度理论，这样才能有效的提高工程建设效率以及确保结构设计的质量和安全。

参考文献：

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[3]赵彦波.高层建筑基础设计考虑上部结构刚度影响分析[J].福建建筑，2017（11）.

[4]李文宇.浅析建筑结构设计中刚度的运用和控制[J].江西建材，2015（09）.

作者简介：

张星（1984-），男，汉族，湖南岳阳，本科，二级注册结构工程师，从事市政房建甲方。