關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計中剛度理論的作用和體現(xiàn)

【摘要】單元產(chǎn)生位移以及轉(zhuǎn)角等變形現(xiàn)象所需要的力都被稱作為剛度，剛度帶有極強的限制作用力，會改變原本物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，其更是建筑工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)。在整個建筑工程項目開展過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)，對保證整個建筑的安全性和可靠性有著重要的影響。對于高層及超高層結(jié)構(gòu)，剛度控制尤為重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能否快速準(zhǔn)確調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程的工作效率。

【關(guān)鍵詞】建筑項目;結(jié)構(gòu)設(shè)計;剛度理論

隨著時代的不斷進步，科技水平的不斷提高，我國的經(jīng)濟發(fā)展也越來越好，并且建筑行業(yè)發(fā)生了突飛猛進的發(fā)展，企業(yè)對于建筑方面的投資也不斷的增大，居民對于日常生活居住的環(huán)境要求也越來越高。目前建筑工程項目中，高層建筑也越來越常見，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑工程建設(shè)的依據(jù)和前提，對施工起指導(dǎo)作用，只有保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、可靠、合理，才能確保施工的安全有序進行，保障施工的質(zhì)量和效率。

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑工程項目建設(shè)的依據(jù)與前提，對施工起指導(dǎo)作用，必須在施工前完成，場地地貌、當(dāng)?shù)貧夂蚝偷乩砦恢玫纫蛩囟际墙ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計必須要考慮的內(nèi)容。當(dāng)啟動項目建設(shè)時，設(shè)計階段是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、可靠、合理，才能更好的保障施工安全有序進行。

把抗震理念引入到建筑設(shè)計當(dāng)中，可以明顯提高建筑的抗震性能，具有非常重要的意義。建筑設(shè)計是建筑抗震設(shè)計的前提條件，必須協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，才能夠讓抗震性能達到最佳，在確定項目建設(shè)設(shè)計方案后，就很難再對建筑空間布局進行較大范圍的調(diào)改，如果建筑布局不能使建筑結(jié)構(gòu)方案布置具備良好的抗震性能，僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用抗震構(gòu)件的構(gòu)造措施來使建筑物的抗震性能得到提升，這并不是一種最佳解決抗震問題的辦法。在建筑設(shè)計的過程中，使建筑方案的規(guī)則性以及結(jié)構(gòu)布置方案都能充分的考慮到其抗震性能，才有利于提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作要點

2.1建立合理的結(jié)構(gòu)計算模型

目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計基本上借助計算機程序模擬計算，半自動化出圖。計算模型的建立、必要的簡化計算與處理，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。

2.2合理設(shè)置結(jié)構(gòu)計算程序參數(shù)

在當(dāng)前，國內(nèi)常用結(jié)構(gòu)計算程序有PKPM、盈建科、廣廈結(jié)構(gòu)、3D3S、SAP2000、MIDAS等，各款軟件差異與共性相存。在使用具體軟件時，應(yīng)該認(rèn)真閱讀軟件的使用說明書，了解其每個控制參數(shù)背后的意義及適用條件。

2.3嚴(yán)格內(nèi)審制度

建筑行業(yè)經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展期，設(shè)計企業(yè)隨之野蠻生長，導(dǎo)致目前設(shè)計行業(yè)無序競爭，各設(shè)計單位一線生產(chǎn)人員水平參差不齊，且大多設(shè)計院存在掛靠現(xiàn)象。再加上甲方隨意壓縮設(shè)計周期及大量“三邊工程”（邊設(shè)計、邊施工、邊報建）的實施，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量不可控因素增加，設(shè)計質(zhì)量大不如前。因此，必須嚴(yán)格執(zhí)行施工圖設(shè)計的內(nèi)審制度，提升設(shè)計質(zhì)量，降低設(shè)計風(fēng)險。

3、建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中存在的問題

3.1地基場地選址

越來越多的人員涌向城市，使得城市的住房需求量逐年累增，房屋用地也由此變得日趨緊張，為緩解供地緊張，新建建筑的高度也是在不斷增加，因此，高層建筑對建造場地的要求也是越來越高，選擇適宜建筑的場地變得尤為重要。高層建筑的地基應(yīng)盡量選擇堅硬土，或土質(zhì)較均勻的中硬場地土，不宜建造在有濕陷性土質(zhì)、較軟場地土上，避免建造在容易發(fā)生滑坡、塌陷等抗震不利地段。地基的質(zhì)量對建筑物的抗震能力有著至關(guān)重要的影響。

3.2基礎(chǔ)型式選用不當(dāng)

高層建筑的基礎(chǔ)型式種類繁多，地基處理方法也相對較多，工作人員設(shè)計時往往會選擇單一的基礎(chǔ)型式，對自己不熟悉的不常用的基礎(chǔ)型式不敢做出選擇，但不同地區(qū)的場地土質(zhì)往往差別較大，處理方法也不盡相同。因此，應(yīng)因地制宜，根據(jù)建筑特點及場地類型選擇合適的基礎(chǔ)型式，不僅能獲得更好的建筑抗震承載性能，還能使得建造成本更加經(jīng)濟。

4、剛度理論在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用和體現(xiàn)

4.1剛度理論的體現(xiàn)

（1）剛度理論在板式構(gòu)件中的體現(xiàn)：矩形平面板一般情況下按照兩向剛度進行劃分，分為雙向板和單向板。在對支撐樓板計算期間，當(dāng)其長和寬的比值大于2時，就會導(dǎo)致荷載主要沿板短方向傳遞，但是當(dāng)長和寬的比值小于2時，就會導(dǎo)致荷載按照雙向傳遞方式進行。總的來說，剛度的比值直接決定荷載傳遞方式，總結(jié)規(guī)律為剛度比值接近時，荷載以雙向傳遞的方式進行，否則荷載就會沿著剛度相對較大的方向傳遞;

剛度理論在梁構(gòu)件中的體現(xiàn)：要形成多跨次梁計算簡圖， 便需要立足于支座部位主梁剛度來實現(xiàn)。設(shè)計多跨連續(xù)次梁最重要的是要求主梁的剛度要遠大于次梁的剛度，這樣才能保障主梁成為次梁不變性的支撐點。而對于十字梁來說，要分析荷載的傳遞形式，就需要從兩個方向梁的線剛度比值方面著手。如果兩向梁的跨度與截面相接近，并且比值接近1時，荷載的傳遞方式為雙向傳遞。如果兩向梁的比值較大時，荷載主要為單向傳遞，線剛度大的粱會承受更多的荷載。

（2）要處理好建筑結(jié)構(gòu)平面剛度突變的問題。如果為了保證建筑平面良好的使用功能，導(dǎo)致出現(xiàn)薄弱部位，平面剛度產(chǎn)生突變，即使采用“精確”的電算程序進行計算和多種構(gòu)造措施加強，都很難保證該薄弱部位構(gòu)件抵抗地震作用的強度和變形能力時，通常采取設(shè)置防震縫方法，從該位置將建筑物分成獨立的結(jié)構(gòu)單元。對于高烈度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，為了減小防震縫兩側(cè)碰撞時的破壞，有時需要在防震縫的兩側(cè)設(shè)置抗撞墻，這是處理平面剛度突變的最佳方法。

4.2剛度理論的應(yīng)用

（1）上部結(jié)構(gòu)剛度對基礎(chǔ)設(shè)計的影響。上部結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與建筑地基是一個不可分割的整體，三者共同工作，協(xié)調(diào)變形才能使建筑物更好地發(fā)揮其使用價值。在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，通常的做法是假定建筑結(jié)構(gòu)的地基為剛性地基，然后將基礎(chǔ)或地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端進行設(shè)計計算。這種設(shè)計方法將基礎(chǔ)剛度考慮為無窮大，使得建筑上部結(jié)構(gòu)的剛度要大于實際情況，導(dǎo)致地震作用計算時的影響被過大估計，這種設(shè)計方法使得建筑抗震設(shè)計整體偏于安全，造成一定的經(jīng)濟浪費，還可能會導(dǎo)致局部抗震構(gòu)件的地震影響不能被充分考慮，有一定的安全隱患。如果不進行上部結(jié)構(gòu)的嵌固端假定，在抗震設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)剛度，即將基礎(chǔ)剛度按實際情況考慮為有限值，上部結(jié)構(gòu)的自振特性會因為基礎(chǔ)剛度而發(fā)生改變，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形也會隨之改變。所以，基礎(chǔ)剛度對高層建筑結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)影響分析將是非常有必要的。

（2）基礎(chǔ)剛度對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響。高層建筑結(jié)構(gòu)在考慮基礎(chǔ)剛度后，結(jié)構(gòu)的整體剛度會相對變小，自振周期會相應(yīng)變大，在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的絕對剛體平動和轉(zhuǎn)動位移也會出現(xiàn)增大，同時，由于結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)，會進一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傾覆彎矩的增大，這將不利于建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。因此，加強基礎(chǔ)剛度，不但可以提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，還可使建筑結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下更趨于穩(wěn)定，使建筑的側(cè)移值降低，但應(yīng)控制基礎(chǔ)剛度的變化范圍，否則會增加建造成本，造成經(jīng)濟浪費。

建筑結(jié)構(gòu)整體計算考慮基礎(chǔ)剛度后會使結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力作用產(chǎn)生變化，通過對建筑結(jié)構(gòu)嵌固端模型的計算，可以對比得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力發(fā)生變化的位置，從而有針對性地對薄弱構(gòu)件加強設(shè)計，這將明顯提升建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

對高層框架結(jié)構(gòu)，考慮基礎(chǔ)剛度后，底層柱底截面的彎矩值相比嵌固端模型計算結(jié)果有所減小，但底層柱頂截面的彎矩與之相比增大不少，這說明采用嵌固端的設(shè)計方法會導(dǎo)致底層柱頂偏于危險，柱底偏于安全，且隨著基礎(chǔ)剛度取值的不同，這種變化更趨于明顯。因此，在對高層建筑結(jié)構(gòu)框架柱設(shè)計時應(yīng)重點加強變化部位，使其能夠滿足該結(jié)構(gòu)所需的抗震性能要求。對于高層剪力墻結(jié)構(gòu)來說，因其上部分結(jié)構(gòu)剛度相對大，考慮基礎(chǔ)剛度后，會出現(xiàn)剛體平動和轉(zhuǎn)動變形的情況，就高層建筑來說，結(jié)構(gòu)的側(cè)移是結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵指標(biāo)，必須要明確規(guī)定結(jié)構(gòu)的位移標(biāo)準(zhǔn)。因此必須要嚴(yán)格控制高層剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)平動與轉(zhuǎn)動剛度，確保其在結(jié)構(gòu)位移規(guī)定范圍內(nèi)，保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及抗震性能。

結(jié)語：

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計就是為了確保結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量和安全。即在滿足結(jié)構(gòu)整體性能的前提下，確保其能夠達到相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求，并實現(xiàn)設(shè)計的經(jīng)濟化，保障后續(xù)施工安全有序進行。因此，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須要重視剛度理論的應(yīng)用，將剛度理論作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，同時還要在實際的工程項目中科學(xué)的應(yīng)用剛度理論，這樣才能有效的提高工程建設(shè)效率以及確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量和安全。

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作者簡介：

張星（1984-），男，漢族，湖南岳陽，本科，二級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事市政房建甲方。