淺談結構剛度在建筑結構設計中的應用

劉成剛

摘 要：所謂剛度就是指單位變形（包括位移、轉角等）所需的力，就是能限制作用力產生變形的性質，是工程結構的內在本質。在工程結構設計中應用剛度理論可對結構進行宏觀控制，定性定量地進行結構分析，避免結構產生不安全因素，使受力合理并獲得最佳經濟效益。本論文闡述了建筑結構剛度的概念設計原則和結構剛度與震害的關系，分析了規范對結構剛度的規定，并進一步提出了對結構剛度的認知。

關鍵詞：結構剛度，概念設計，地震作用，結構分析，剛柔性，地基基礎

1.前言

隨著高度的增加，建筑的側向位移迅速增大，因此結構設計時不僅要求結構有足夠的剛度，而且要求結構有適宜的剛度，使結構有合理的自振周期等動力性能，并使水平作用力下產生的層間位移控制在一定范圍，同時結構還應具有良好的延性，以吸收地震能量。

2.建筑結構剛度的概念設計原則

2.1.結構剛與柔的選擇

多次地震事實表明，結構變形越小，地震的危害就越小，但是不能得出剛度越大越好的結論，因為剛度愈大地震作用愈大，材料用量也會增加，而且現實中不能實現剛度無限大，所以結構必須要有一定的延性。此外，結構振動和變形的大小不僅和結構剛度有關，還與場地有關，因為當結構自振周期與場地土卓越周期接近時，地震作用急劇加大。因此，對于建筑抗震設計，不能做出“剛一些好”還是“柔一些好”的簡單結論，而是要求結構整體剛度要“剛柔相濟”。結構過剛則變形能力差，意味著外部能量主要由自身抵抗、吸收。對于地震作用，顯然是不利而且不經濟的。結構過柔則變形過大，在風荷載作用下會有使用上的不適感。嚴重時會整體傾覆。總之應在“剛、柔”之間尋找合理的度。

2.2.結構平面布置剛度宜均勻、減少扭轉

抗震結構平面布置宜簡單、規則、盡量減少凸出，凹進等復雜平面，但是更重要的是平面布置時要盡可能使平面剛度均勻，所謂結構平面剛度均勻就是剛度中心與質量中心靠近，是樓層抗側構件水平位移同步，減少地震作用下的扭轉。平面剛度是否均勻是地震造成扭轉破壞的主要原因，而影響剛度是否均勻的主要原因是抗側構件的布置，平面一側的剛度集中是不應采取的，大剛度抗側單元偏置的結構在地震作用下扭轉更大，某一局部相對其他部分剛度過大，往往意味著其將承擔更大的能量、內力，一旦破壞，結構將發生連續性倒塌。對稱、均勻的結構往往更合理，因為其各體系、各構件內力更均勻，抗倒塌性強。同時，較高的建筑物不宜做成長寬比很大的長條形平面，因為它不符合樓板在平面內無限剛性的假定。

2.3.結構豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減少鞭梢效應

結構宜做成上下等寬或由下向上逐漸減小的梯形，更重要的是結構的抗側剛度應沿高度均勻或沿高度逐漸減小。豎向剛度是否均勻，也主要涉及抗側構件的布置，上下兩層抗側構件布置位置以及樓層整體剛度大小的變化都是影響豎向剛度是否均勻的因素。

3.剛度理論在結構設計中的體現和應用

3.1結構體系的演變體現了結構對整體剛度的要求

以鋼筋混凝土結構為例，隨著建筑高度的不斷增加或抗風、抗震等級的提高，結構體系由純框架結構，逐步演變出框剪、剪力墻、筒體-框架、筒中筒、束筒結構等，也就是隨著結構高度的增加，承受風荷載與地震荷載也就越來越大，對結構的整體剛度的要求就越高。

3.2剛度理論在設計過程中的幾個體現

1）在剪力墻結構中，剪力墻是主要的抗側力構件，由于結構中剪力墻墻體往往過多，吸引的地震力大，因此《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第6.1.9條規定較長的抗震墻宜開設洞口，將一道墻分成長度較均勻的若干段，洞口連梁的跨高比宜大于6，各墻段的高寬比不宜小于3，這是要求連梁剛度不宜太大。規范這些要求是通過控制剪力墻連梁的剛度，來調整剪力墻墻體的剛度，從而使結構整體剛度調整至符合要求的程度，更好發揮剪力墻的整體發揮。

2）解決平面剛度突變的最佳辦法是設置防震縫 當建筑平面的使用功能非常優越，但出現平面薄弱部位，薄弱部位的平面剛度產生突變，即使采用“精確”的電算程序進行計算和多種構造措施加強，都很難保證該薄弱部位構件抵抗地震作用的強度和變形能力時，通常采取設置防震縫方法，從該位置將建筑物分成獨立的結構單元。對于高烈度區的框架結構，為了減小防震縫兩側碰撞時的破壞，有時需要在防震縫的兩側設置抗撞墻。這是處理平面剛度突變的最佳方法。

4.上部結構剛度對基礎設計的影響

建筑整體結構由上部結構與地基基礎兩部分組成，上部結構與地基基礎共同作用，即是把上部結構、基礎和地基（有樁基礎包括樁）三者看成一個整體，并要滿足地基、基礎與上部結構三者在接觸部位的變形協調條件。上部主體結構的安全與否， 不僅取決于自身各種構件的強度， 同時還受地基基礎變形的影響。而地基基礎的設計又要充分考慮上部結構的剛度問題， 不同的上部結構形式對地基基礎變形的適應能力不同，因而了解上部結構的剛度特點對地基基礎的設計十分重要。

通過建筑施工的了解與進一步的深入分析可知，不同類型的上不結構對于其對應建筑底部施工工地地基基礎的變形適應能力也會不同。一般會將上部結構分為剛性與柔性結構以及半剛性結構。而柔性結構是這幾類結構中具有較強適應變形能力的一種結構，現今遺留很多木質的古建筑中很少會發現因為地基變形的原因而受到損壞。而上部剛性結構雖然沒有上部柔性結構那樣具有較強的適應變形能力，但是上部剛部結構對于一些不均勻，不平整的地基基礎則具有較強的抵抗能力。剛性結構的抵抗能需要嚴格確保在清楚知道地基變形的傾斜值的基礎之上，才能對地基進行相應的設計選用。而半剛性的結構本身就具有其他兩種上部結構所不具有的可承受部分的撓曲功能，且其還有有調整部分地基變形的能力， 但如果調整部分超過半剛性結構可調整的一定限度就會使主體結構構件受損， 導致建筑物出現開裂現象。

因此要研究上部結構剛度對基礎設計的影響的共同作用，進而考慮不同剛度類型的建筑地基基礎設計問題。

5.結語

在結構設計中，應按照剛度理論的要求去選擇結構體系，調整平面與豎向體系的設置，合理調整結構剛度的分布，優化結構構件間的相對剛度，最后通過細部設計來調整構件之間的相互關系，提高構件和結構的效用，使整體結構發揮出預期效果的結構設計。

參考文獻：

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