分析剛度理論在結構設計中的作用

李帥

【摘要】本文簡要介紹了剛度的含義，并對剛度理論在結構設計中的應用進行了分析。運用剛度理論能有效的計算出各抗側力的構件的內力，通過設置防震縫，可以減少建筑物遭遇地震時所受的破壞。而且對于側向剛度的均勻連續變化的高層建筑不會產生突變。研究剛度理論在結構設計中的作用，對提高工作效率，經濟效益都有重要的現實意義。

【關鍵詞】剛度理論；結構設計；線剛度

一般情況下，在結構設計中的設計人員比較偏重力的概念。通常設計人員在結構布置與計算分析的時候比較關注荷載的產生和數值的大小。從而往往忽視影響構件內力的變形火車構件抵抗外力的變形能力等概念。同時改善連接構架之間的相對剛度或是構件自身的線的剛度是結構中的變形的協調的內力的產生的。而且內部剛度是地震、載荷、建筑物的自重等外部結構因素中的重要因素。在結構設計中科學的運用剛度理論，不僅能夠消除結構隱患，還能獲得最佳的經濟效益，對于建筑結構設計人員，采用剛度理論能更好提高工作效率，縮短工作設計時間。最終設計出剛度適中的結構設計。本文研究剛度理論在結構設計中的作用，具有重要的理論意義與現實意義。

1 剛度的含義

剛度是工程結構的內在本質，結構剛度就是結構能夠限制作用力所產生變形的性質。在結構設計過程中的結構布置和結構計算分析階段，結構中力的平衡。變形的協調以及由此產生的構件內力，都是通過構件自身的線剛度以及連接構件之間的相對剛度的大小來體現的。

2 剛度理論在結構設計過程中的應用

一幢建筑物的結構設計行與不行和好與不好，關鍵在于結構的整體剛度和構件的相對剛度控制得是否恰當合理。事實上，結構設計人員在結構設計過程中所進行的結構布置和構件截面的調整，都是在尋求一種合理的結構剛度，而結構設計的基本概念以及結構設計規范的原始精神都是圍繞著剛度這一基本原理來展開的。

2.1 地下室頂板具有一定的平面剛度才能夠作為上部結構的嵌固端

地下室頂板作為上部結構的嵌固端是保證上部結構的地震剪力能夠通過地下室頂板傳遞到整個地下室結構的抗側構件，此外還能夠保證上部結構在地震作用下的結構變形以地下室的頂板為支撐。在整個結構計算中肩了有效的需求較為準確的內力以及變形等計算結構應當按照規范中的定性與定量對地下室頂板的規定進行設置。

2.2 能夠有效的計算出各抗側力構件的內力

高層抗震結構的樓層是剛性的，則能夠保證結構的豎向構件所承受的水平力是按其抗側力剛度分配的，從結構分析的計算數學模型假定到結構的真正受力狀態都能一致地反映這一點。按此設計出來的結構，其安全度是有保證的，其構件內力分析是較準確的；相反，樓蓋形成不了無限剛性。比如樓層大開洞口或凹凸太深太長，即使采用考慮樓板變形的計算程序進行計算，也很難準確了解和掌握其各豎向構件內力的大小。

2.3側向剛度沿高度均勻連續變化的結構不會產生突變

對于側向剛度的均勻連續變化的高層建筑來說，在水平作用力的條件下整體的變形曲線是光滑的在任何樓層數都不會產生位移突變。因此也不存在薄弱的部位，這樣的結構即使在遭遇地震時也不會倒塌。對于側向高度突變的高層建筑來說，在樓層剛度突變出形成薄弱的部位，產生應力集中，便會造成塑性變形大在遭遇地震時容易倒塌。

2.4 設置防震縫

解決平面剛度突變的最好方式是設置防震縫。通過設置防震縫，可以保證建筑平面薄弱部位的構件的抵抗地震的強度和變形能力。因為在建筑平面的薄弱部位及時采用科學的電算程序進行計算，也不能保證建筑的抗震能力。因此設置防震縫，在防震縫的兩側設置抗撞墻。從薄弱的部位將建筑分為獨立的結構。從而減少防震縫兩側遭到的破壞。

2.5剪力墻的連梁尺寸可以更好地發揮開洞剪力墻的作用

框架一剪力墻結構體系中，由于其中的剪力墻是零星，分散布置的，所形成的結構整體剛度不太大，為了增強結構整體剛度，使其中的剪力墻成為主要的抗側力構件，故規范規定“一、二級抗震墻的洞口連梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm”連梁的剛度不宜太小；相反，在剪力墻結構體系（包括部分框支抗震墻結構體系）中，由于墻體多且密，所形成的結構整體剛度往往過大，不僅吸收地震能量大，對結構受力不利，而且會造成結構造價的上漲，因此，規范規定“將一道抗震墻分成長度均勻的若干墻段，洞口連梁的跨高比宜大于6”，意即要求連梁的剛度不宜太大。這是有目的地控制剪力墻連梁剛度，將結構整體剛度調整至合適程度并使開洞剪力墻發揮更大作用的顯著例子。

3 剛度理論在構件設計中的體現

剛度理論在剪力墻構件中的體現剪力墻和柱同屬結構的豎向構件，但剪力墻在其平面內的剛度遠遠大于柱，因此在結構布置中，當有剪力墻構件時，剪力墻的截面尺寸、數量、位置和形狀等對結構的剛度的影響舉足輕重，剛度理論在其中的體現更是十分突出。從早期的墻率（單位建筑面積中剪力墻截面積）探討，到以剛度為計算參數的剪力墻最低數量的各種各樣的簡化公式的展示，無不從剛度角度出發，探索剪力墻合理數量的規律。

3.1剛度理論在剪力墻構件中的體現

（1）框一剪結構中的剪力墻宜設置在墻面不需要開大洞口的位置以便形成剛度較大的抗側力構件。框架一剪力墻結構中的剪力墻，其片數總是有限的。為了使其起到主要抗側力構件的作用，每片剪力墻都需要具有一定的剛度，如剪力墻開大洞口，則其剛度大大地被削弱，這將與設置剪力墻的初衷相違背，因此宜將剪力墻設置在不需要開大洞口的位置上，這是從剛度理論出發對框架一剪力墻結構中剪力墻最佳位置選擇的一個基本原則。

（2）剛度過大的較長剪力墻，宜開設洞口將其分為多肢剪力墻 較長的剪力墻由于墻的高度與墻寬之比減小，外框架一筒體結構外框筒一筒體結構平面內剛度相當大，地震時易遭受剪切破壞，而在抗震原則中，應做“強剪弱彎”，結構構件的剪切破壞是要避免的。為了達到此目的，需將較長剪力墻通過開設洞口，分成較均勻的若干墻段，即將剛度很大的單肢墻通過開洞口變成雙肢或多肢墻，使各墻段的高寬比大于2，避免剪切破壞，提高其變形能力。這是合理控制剪力墻剛度的一個例子。

3.2剛度理論在構件相互作用中的體現

（1）構件的線剛度與一荷載的傳遞產生的內力有很大的關系。在相同力的作用下，在同一共同力的作用下，線剛度大的，構件產生的內力就大，反之，在相同力的作用下，剛度大的構件變形就小。因此，結構設計中，工程師都要考慮剛度的作用，因為剛度在結構設計中的具有很重要的作用。

（2）按照梁柱線剛度的比例分配梁與柱的鏈接點處的力矩。其應用的是力學力矩分配法的基本原則。由于邊節點參與彎矩分配的桿件數少于中節點。因此梁柱節點處桿件所承受的彎矩值要比中節點要大，特別是頂層邊節點，這事頂層邊柱與頂層框架梁配筋較多的主要原因。

4 結束語

綜上所述，剛度理論是結構設計的基礎，將剛度理論靈活運用到工程中，能做出更好的結構設計，不僅能夠保證建筑結構的安全，還能實現經濟利益的合理性，對我國未來工程師的要求是利用剛度理論設計出剛度適中的結構設計，是工程師設計的最終目標。本文對于剛度理論在結構設計中的研究仍有不足之處，希望相關學者對其能有深一步的研究，相信我國的建筑結構設計能有更大一步的發展。

參考文獻：

[1] 韓超. 在結構設計中剛度理論的作用和體現[J]. 民營科技， 2014， （6）： 207.

[2] 梁永春， 李酉， 張小兵.剛度理論在整體結構及單一構件中的體現及應用[J].內蒙古水力， 2011， （3）： 127.