摘要:在结构设计中,有两大因素比较重要。一个是外在因素“力”,另一个是内在因素刚度。这两者在设计中都非常重要,缺一不可。但对于力而言,尽管牵涉到力学方面的平衡、协调构建变形、构件内力,但是这些方面都是通过刚度来进行具体体现的。文章通过对结构设计中的结构设计过程中、整体结构及构建中的刚度理论进行探究,以期为广大的研究者提供参考。

关键词:刚度理论;结构设计;抗震

在进行结构的布置和分析当中,设计师一般会对“力”更加重视。正因如此,有时候会忽视了结构、构件的变形能力等。通常说来,其变形协调和内力,一般都由改善连接构件间的相对刚度来完成。要想使得建筑物在使用过程中承受风力或者地震的影响,就必须重视刚度在设计中的作用。

1结构设计过程中的刚度理论

通常情形下,对于建筑物而言。判断其好还是不好的标准,往往就要看它结构方面刚度与构件的相对刚度控制合不合理。在结构设计当中,对于结构布置和构建截面进行调整,为的就是要使结构的刚度达到相关要求。只是在设计当中,这方面的意识有多强,是以设计的基本概念和规范来体现的。比如,在高层建筑中,其结构设计的全过程,都离不开刚度概念。

1.1侧方向变化的结构

在高层建筑当中,如果是侧方向的连续均匀变化,其整体曲线是比较光滑的。这种情形下,不管在哪一个楼层,都没有位移突变的存在,这也使其不会有薄弱的地方。对于这种结构而言,其刚度非常理想,就算是高层建筑遭遇地震。也不会发生倒塌现象,对人们的生命才财产安全也就不会有严重威胁了。但是,如果是另外一种情况的话,在有发生突变现象的高层建筑中,在刚度发生突变的地方,就会形成较为薄弱的地方。在这个区域,盈利比较集中,塑性可能会产生很强的变形。这种情形下,一旦遭遇地震等强烈的震动,就可能受到破坏,甚至是倒塌,引起重大损失。如果高层建筑中具备转换层,要求是低位转换层,不应为高位转换层。并且,在转换层的上下层中,其抗侧刚度应当具备良好的连续性,而非突变性。所以按照相关的规范规定,其底部的一至二层大空间的剪力墙结构,转换层上下层的剪切刚度应当与1相接近,如果属于非抗震设计时,那就应当小于等于3,而抗震设计时就应当小于等于2。对于后半转换结构的转换层来说,上下层变形曲线也会发生突变现象。所以,厚板转换层结构通常不会被采用。

1.2结构主轴方向的侧向刚度均衡

对于这种均衡来说,它能够对结构的扭转效应起到良好的抑制作用。这种结构在两个方向或多个方向动力的特征比较相似,发生扭转效应在表面看来并不是很明显。一旦遇上地震,或者是强风,结构的主轴平动仍然具有优势,变形也较为简单,这对结构的安全性能来说是非常好的。所以,在结构设计过程中,对于抗震结构的要求方面,其平面长度和宽度的比值较小,两方向的抗侧力构件一定要均匀、分散、对称分布,这才能保证高层建筑在使用中的安全性能。

1.3平面刚度无穷大的结构

对于刚性高层抗震结构来说,可以使竖向构件承受的水平力按照抗侧力刚度分配,这从计算数学模型中能够得到证实。通过这样的理论来对结构进行设计,最终能够得到很好的效果,使得高层建筑的安全性能够得到很好的保证,分析构建的内力也会较为精准。否则,楼盖可能因为没有具备无限刚性而留下隐患。例如在高层建筑当中,楼层的凹凸或者打开洞口既深且长,就算是使用相应的变形程序来对它进行计算,也极有可能无法精确地知道书香构建的内力是多少。这种情形使得结构工程师希望在建筑过程中,建筑师能够根据他的意愿,使楼面变为刚性。即使因为某些原因无法实现,也要最大限度地接近刚性。

1.4防震缝的设计

尽管某些建筑平面的使用功能已经非常良好,但是还会存在薄弱的地方。在这些薄弱的地方,其平面刚度会发生突变现象。就算使用比较精准的电算程序来计算,或者采取其他一些措施来进行弥补,都没办法使薄弱地方的构件抗震作用加强,也没法使其抗变形能力增强。这种情况下,就需要设置防震缝,以便能够从这个薄弱位置着手,把建筑物分成比较独立的单元结构。某些框架结构处于高烈度区域,可以在其量变设置抗装墙,这能够使防震缝的破坏程度减小到最低程度,并且能够很好地应对平面刚度的突变。

2整体结构及构建中的刚度理论

2.1柱构件中的刚度概念

在框架结构当中,柱构件布置时,柱子界面的高度和宽度之比有着不同的取值,也就是说,其界面的尺寸不同,在两个柱子方向的摆向将会产生较大的刚度差异。同时,两个方向的梁,其界面的尺寸大小,也会对侧向刚度的强弱产生一定影响。在设计结构的时候,需要将这个特性应用到设计当中,借此实现两项刚度达到均衡。比方说,在某个建筑结构当中,其平面的尺寸是AB几乎相等,则h和b也几乎相等,柱子就需要按照这个理论来进行布置。如果建筑平面是属于长方形,而两项侧向刚度又有一定的差别。想要使得B向刚度符合要求,就应当要按照h和b的较大比值来进行设计安排。同时,h和B是平行的,不能够相反。不然的话,整体刚度的差距就会拉大,对于防风和抗震来说,都是非常不利的(见图1)。这种情况在筒中筒结构和框架-筒体结构的高层建筑中体现得较为明显。框架通体结构中,其侧向刚度是各榀框架-剪力墙来组成的。所以,外框架柱的h向要同其计算方向想平行才能够满足要求。

2.2剪力墙构件里的刚度概念

在竖向构建的刚度方面,柱要远低于剪力墙。所以,布置结构的时候,剪力墙的数量、位置、形状和截面尺寸等方面,都在一定程度上影响到结构刚度。在这个过程中,刚度得到了相当充分地体现。从刚度方面来看,将力强应当具备一定的数量才算合理。这种合理性通常指的是剪力墙的数量不能够过少,如果跟设计要求不符合,就可能导致建筑物不能够防风和防震,这是设计的大忌。同时,剪力墙的数量也不能够过多,否则可能导致结构的刚度过大,会影响建筑的抗震性能,这也会使工程成本提升。因此,剪力墙的数量要合理。

2.3构建相互作用中的刚度概念体现

(1)楼板和梁相连,梁的刚度决定板边界。在钢筋混凝土结构当中,梁截面的形状由举行变为L或T形。这使其抗弯刚度和抗扭刚度都在很大程度上增强了。在对其进行计算的时候,就是依靠这个原理来分辨边、中跨梁刚度增大系数的。对于梁的抗扭刚度来说,板的边界条件受到抗扭刚度大小的严重影响。如此一来,如果抗扭刚度较大,半跨中的弯矩和挠度就会很小,反之就会很大。

(2)楼盖和纵向抗震墙的刚度。在多层或高层剪力墙结构、多层砌体房屋结构当中,抗震强的发挥受到了楼盖刚度的影响。抗震墙承受着一定的水平剪力,这依靠楼盖的传递才能得以实现、所以,楼盖的刚度必须符合一定的要求。在宏观意义上来对此进行衡量,对抗震墙的间距应当有所控制。这个间距不能够过大,否则的话,可能因为受力不均匀是抗震效果大打折扣。如果建筑物比较长,又是长方形的。监狱楼面的混凝土收缩、温度等方面的应力作用,对楼层产生的影响比较明显。这个时候,一旦在纵长方向的抗震墙对楼盖影响过强,就可能导致裂缝的出现。

3结束语

在建筑结构的设计当中,必须要使其结构复合安全的要求,这是最重要的前提条件,也是成本控制的要求。想要实现这样的要求,就必须在进行设计的时候,围绕“力”这个因素来进行。不过,仅仅这样是不够的,因为“力”不是是影响结构的外在条件。还需要结合刚度理论知识,在设计当中处处考虑刚度因素所带来的影响,用较为灵活的手段应对,这对结构设计才能起到良好的推动作用。

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