淺析建筑結構設計中剛度的運用和控制

■李文宇 ■山西省化工設計院，山西 太原 030024

1 建筑結構設計中剛度的定義

結構物的剛度主要指的是結構物發(fā)生單位變形所需要的力，其中單位變形與力值都是一種廣義定義。建筑結構物受到的力復雜多變，大小和方向都會不斷發(fā)生改變;為此其變形也隨之而不斷變化。依據力與變形的不同，建筑結構物的剛度主要包含有結構剛度、桿件剛度、截面剛度等。

2 建筑結構設計中剛度的運用與控制

建筑結構的方案設計階段，主要是針對建筑結構物的不同布置方式與選型方式，實現內力分布的合理化，盡可能減小整體結構中的應力集中區(qū)域，進而實現結構的安全系數的提升。從結構設計這一階段可以看出，通過實現結構體系整體應力分布的合理性，從根本上而言，為結構體系整體剛度的優(yōu)選過程。對于建筑結構而言，整體剛度的均衡，是保障結構穩(wěn)定性的根本前提。

2.1 建筑結構體系的選擇基于結構整體的剛度需求

建筑結構設計過程中，其剛度的匹配性是建筑結構體系選擇的前提條件之一。從理論的分析可以知道，建筑結構的側移與結構高度的四次方存在這正比例關系。然而當前我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑物的高度日新月異，不斷產生新的突破。為此建筑物設計過程中，其整體的剛度需求也隨之大幅度增長。

從建筑結構體系的發(fā)展而言，建筑結構物由原來的框架結構，逐漸轉變成為框架剪力墻、束筒結構、筒體結構等等。這一轉變正是由于建筑結構物的高度的提升，其結構的剛度需求也不斷提升。對于高度不大的6 層小高層住宅區(qū)而言，可以采取使用一些剛度較小的框架結構，而對于30 層以上的商品房，則必須要采用增加剪力墻的方式來實現建筑物整體剛度的提升。對于一些超高層建筑，則需要通過采用剛度更大的結構體系----筒體結構。由此可以預見，未來建筑物將會對結構的整體剛度有著更高的需求。

此外，《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)中，對于不同高度的建筑物，都定義了最高的建筑高度，這主要是由于不同的結構體系，對結構物的整體剛度不同，通過結構體系來實現結構的剛度增強，進而有效提升建筑物的穩(wěn)定性。為此建筑結構物對于結構的整體剛度需求有著非常大的依賴性，隨著結構剛度的不斷提升，建筑設計也隨之產生相應的創(chuàng)新。

2.2 建筑結構設計過程中通過規(guī)則性的布置方式來提升局部剛度的均衡性需求

建筑結構設計過程中，應盡可能使得建筑結構平面布置簡單規(guī)則。這是由于不規(guī)則的平面布置方式會造成平面的剛度不均勻，導致建筑結構物的重心與結構物的剛度設計不重合，使得結構物產生大的扭矩，造成扭轉變形。

建筑結構設計時，針對不規(guī)則的結構體系，往往會設置一些防震縫，如此將建筑結構物進行細分，使得結構劃分成為機構規(guī)則的結構單元，如此可以有效的實現建筑結構自身的重心與建筑物的剛度設計保持一致。

建筑結構豎向布置不規(guī)則時，則不能夠采取設置防震縫的方式來實現，變存在一些豎向側向的剛度突變區(qū)域，這一區(qū)域亦稱之為建筑結構的薄弱層。對于建筑結構而言，薄弱區(qū)域會由于應力集中或者塑性變形集中而造成結構物的失穩(wěn)。對于一些大型的豎向不規(guī)則建筑物，一般建筑結構都會設置相應的轉換層來提升結構的剛度。

2.3 剛度為建筑經濟性與合理性的需求

對于建筑結構設計而言，其剛度的控制水平直接關系到建筑結構的設計優(yōu)劣。例如，建筑結構設計時，建筑物的抗震與抗風荷載作用與建筑物剛度需求是相互矛盾的，因為建筑物承受的地震荷載作用是一種水平向與豎向結合的荷載，與風荷載作為主要為水平荷載作用，結構物的剛度需求是一種縱向內力的合理化分布。為此抗震設計時，其結構物的剛度越大，則會導致地震荷載對結構物的橫向作用影響越大。為此從抗震設計的角度而言，結構物的剛度越小越好。建筑物在穩(wěn)定的風荷載作用下，其結構自身應具備相應的側移條件，如此建筑結構的剛度越大，其抗風荷載作用越好。

為此建筑結構設計時，應首先對建筑物本身的各方面的需求進行綜合考慮，如處于地震區(qū)域的建筑，其自身的抗震需求越重要;而處于一些非地震地區(qū)，高層建筑則對風荷載作用的抵抗性要求越高。只有權衡各個方面的因素，才能選取合理的剛度設計，實現建筑結構設計的合理性與經濟性。

3 建筑結構剛度的調整措施

通過上文的介紹，可以看出通過調整建筑結構物構件的截面尺寸、構件之間的約束方式、構件的布置方式等等方式，都可以實現結構的剛度提升。然而除了這些基礎的調整方式之外，還可以通過下列途徑，實現建筑結構剛度的調整。使得建筑結構設計更加合理與完善，實現經濟化的發(fā)展需求。

(1)施加預應力，有效提升建筑結構剛度。通過添加預應力的方式來提升結構剛度，主要是針對于一些受力瞬變體系，即活荷載為主要的荷載作用。針對這種瞬變結構體系，則需要增加水平向的預應力作用，來提升結構的整體剛度，實現結構的穩(wěn)定性增強。

(2)優(yōu)化結構的傳力路徑。對于一些框架結構，都是將力由梁傳遞至柱，再傳至地基，為此對于框架結構，基礎為一個非常重要的部分。這種傳力方式，對于基礎的要求相對比較高。為此可以通過優(yōu)化結構的傳力方式，來實現整體結構物的穩(wěn)定。如構建一些副梁來抵消部分主梁的荷載作用，使得傳力的路徑得以優(yōu)化，進而實現建筑自身剛度的提升。

(3)改變約束方式，實現結構剛度的優(yōu)化。框架結構設計時，其樓梯與梯板之間都是采用斜支撐的方式進行固定，為此兩者之間的剛接將會使得斜向梯板與樓梯附近成為一個應力的突變區(qū)域，這一區(qū)域便會形成應力集中，若設計不慎，樓梯處的破壞與崩塌，便會形成逃生通道堵塞。設計過程中科技通過梯板與平臺板之間通過滑動接觸，如此可以有效的減小剛度突變的風險，實現建筑結構整體剛度的均勻。為此通過約束方式的優(yōu)化，也可以實現結構剛度的提升。

4 結束語

建筑結構設計過程中，因抓住結構剛度這一條設計主線來進行。如鋼筋混凝土結構與鋼結構之間的最本質區(qū)別在于，鋼筋混凝土的開裂會對結構物的剛度造成非常大的影響，導致結構發(fā)生非常復雜的應力變化。為此建筑結構設計過程中，應綜合考慮建筑的剛度需求，針對各項因素的綜合考慮，選擇最合理的設計剛度，實現建筑物設計的經濟化與合理化。

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