分析結(jié)構(gòu)設計中剛度理論的作用和體

文/劉波 湖南中大設計院有限公司 湖南長沙 410000

現(xiàn)階段，建筑設計標準不斷提高，尤其是結(jié)構(gòu)性能，使得設計人員更加注重結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的性能分析。從理論上來說，結(jié)構(gòu)與構(gòu)件變形協(xié)調(diào)與內(nèi)力，通常是依靠構(gòu)件之間的相對剛度而實現(xiàn)，因此若想提高建筑物的抗震性與風力承載性能，則必須注重剛度的作用。

1、剛度理論運用的必要性

從建筑性能角度來說，判斷其好壞的標準，主要是從結(jié)構(gòu)剛度和建筑構(gòu)件的相對剛度角度分析，看其是否合理。在設計時，進行結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)件截面調(diào)整，主要是為了確保結(jié)構(gòu)剛度能夠達到相關(guān)要求。基于此，在結(jié)構(gòu)設計時，要強化剛度理論運用的意識，按照設計概念與規(guī)范，以保障設計的效果。

2、結(jié)構(gòu)設計中的剛度理論的作用

2.1　提高建筑抗震性能

以高層建筑為例，若為側(cè)向連續(xù)均勻變化，建筑整體曲線較為光滑。如此，建筑各樓層均不會發(fā)生位移突變問題，剛度較為理想，即使是遇到地震情況，也不會出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。若建筑存在突變情況，則剛度突變點為薄弱點。在薄弱區(qū)域應力相對集中，極易產(chǎn)生塑性變形，當遇到強烈地震時，極易受損壞，發(fā)生倒塌，造成極大的損失。若高層建筑中設置了轉(zhuǎn)換層，要選擇低位轉(zhuǎn)換層。同時在轉(zhuǎn)換層的上下層內(nèi)，要確保剛度的連續(xù)性。按照相關(guān)規(guī)定，建筑底部的1-2層大空間的剪力強結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)換層的剪切剛度給控制在1左右；若為非抗震設計，則控制為≤3；若為抗震設計，則控制為≤2。考慮到厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層上下層的變形曲線，受到力的作用，極易發(fā)生突變。基于此，不建議使用厚板轉(zhuǎn)換層[1]。

2.2　實現(xiàn)側(cè)向剛度均衡，能夠避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)

以結(jié)構(gòu)主軸方向為例，側(cè)向剛度均衡，能夠抑制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應。此類結(jié)構(gòu)特征較為相似，尤其是兩個或以上個數(shù)的方向動力特征，若發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應，通過表面判斷，難以及時發(fā)現(xiàn)。若遇到地震或強風，結(jié)構(gòu)安全性能較好。基于此，開展結(jié)構(gòu)設計，對抗震結(jié)構(gòu)，要求平面長寬比要小。同時要保證抗側(cè)力構(gòu)件要均勻、對稱分布，確保建筑的安全性。若能夠保證建筑結(jié)構(gòu)主軸方向側(cè)向剛度平衡，能夠避免發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

2.3　確保構(gòu)件內(nèi)力的精準性

以剛性高層抗震結(jié)構(gòu)為例，從計算數(shù)學角度來說，豎向構(gòu)件所承受的水平力，要按照抗側(cè)力剛度進行分配。基于此理論，開展結(jié)構(gòu)設計，能夠獲得不錯的效果，不僅可保證建筑的安全性，還能夠確保構(gòu)件內(nèi)力的精準性，避免安全隱患。

3、結(jié)構(gòu)設計中的剛度理論作用與具體體現(xiàn)

3.1　柱構(gòu)件

框架結(jié)構(gòu)中，對于柱構(gòu)件的布置，其截面高度與寬度比值差異，在柱子方向的擺向，剛度差異角度。除此之外，梁界面尺寸對側(cè)向剛度，也有著不同程度的影響。基于此，開展結(jié)構(gòu)設計，可運用此特性，實現(xiàn)上兩項剛度的均衡。以某工程為例，其為辦公建筑，總計5層，采用大開間。基于剛度理論，為確保結(jié)構(gòu)剛度，樓面與屋面等，采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)。框架結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容如下：1）通過框架梁截面尺寸估算與框架柱截面尺寸估算，柱截面尺寸選為500×500mm。2）框架梁柱的線剛度計算簡圖如圖1所示，底層柱線剛度為3.26×104kN·m；其它層柱線剛度為4.34×104kN·m。3）柱自重為6.25kN/m。從建筑質(zhì)量檢測情況來說，能夠達到抗震要求。從使用情況來看，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能較好。總體來說，為確保框架結(jié)構(gòu)的剛度合理性，要結(jié)合實際情況，按照抗震性能要求，精準計算。

圖1　計算簡圖

3.2　梁構(gòu)件

總體來說，剛度理論在建筑結(jié)構(gòu)中的梁構(gòu)件中的作用體現(xiàn)如下：

1）利用多跨次梁計算簡圖，如上述圖1所示，能夠使得支座主梁剛度達到設計強度。樓蓋中，需要明確次梁計算簡圖，則需要分項分析支座。因為支座沉陷時，其受力會減小，因此除了要注重計算結(jié)果外，還需要做好配筋量分析。

2）若樓層封口梁剛度能夠達到要求，則可以改變傳力路徑。在設計時，可以將樓層封口梁支承在框架懸臂梁中，不同的懸臂梁會分走荷載。但由于封口梁的剛度較大，樓層懸臂梁的剛度比框架懸臂梁小。如此，極易造成封口梁的荷載全部傳遞框架懸臂梁。基于此，由于框架懸臂梁的配筋少，所以可能會增加安全風險[2]。

3）基于剛度理論，平衡交叉梁傳力關(guān)系，進而保障建筑性能。交叉梁也有荷載，荷載的傳遞，要按照方向梁的線剛度比，若兩項梁跨度值相同，則二者共同承擔荷載。若跨度值差距較大，則剛度差別也會比較大，荷載則由剛度大的梁承擔，使得交叉梁的傳力關(guān)系，轉(zhuǎn)變了主次梁關(guān)系。

4）基于剛度值，由角部相交邊梁來承擔荷載。通常情況下，建筑物中角部相交邊梁截面積相同，若剛度值接近，則變?yōu)殡p向雙懸臂梁關(guān)系，此時能夠平分荷載。若剛度不同，則可看作為主次梁關(guān)系。若剛度相差不大，則由長跨度梁承受力。需要注意的是，在進行設計時，從安全角度考慮，要按照支承關(guān)系來計算，并且配筋。對雙懸臂，則可適當?shù)脑黾娱L向梁的底筋數(shù)量。對主次梁，則可適當?shù)脑黾娱L向梁面筋數(shù)量。

3.3　墻構(gòu)件

剛度理論在建筑結(jié)構(gòu)墻構(gòu)件中有所體現(xiàn)。豎向構(gòu)件平面內(nèi)，剪力墻剛度一般大于柱的剛度。基于此，在進行布置時，若存在剪力墻結(jié)構(gòu)，則需要融合剛度理念，來提升設計質(zhì)量。總的來說，剛度理論的運用，要貫穿建筑結(jié)構(gòu)設計的全過程，做好全面分析與把控，以保障建筑結(jié)構(gòu)的性能[3]。

結(jié)語：

綜上所述，實現(xiàn)側(cè)向剛度均衡，能夠避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)；運用剛度理念，能夠確保構(gòu)件內(nèi)力的精準性，提高建筑設計質(zhì)量。剛度理論的應用，發(fā)揮著積極的作用，從墻構(gòu)件、梁構(gòu)件、柱構(gòu)件等方面，做了簡單的論述。

參考文獻：

[1]徐鐵山,劉華麗.剛度理論在結(jié)構(gòu)設計中的作用和體現(xiàn)[J/OL].工程技術(shù)研究,2017(09):232-233.

[2]徐鐵山,劉華麗.剛度理論在結(jié)構(gòu)設計中的作用和體現(xiàn)[J/OL].工程技術(shù)研究,2017(09):232-233.

[3]鄭瓛.分析剛度理論在結(jié)構(gòu)設計中的作用和體現(xiàn)[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2017(24):164.