浅析建筑结构设计中刚度的运用和控制

■李文宇 ■山西省化工设计院，山西 太原 030024

1 建筑结构设计中刚度的定义

结构物的刚度主要指的是结构物发生单位变形所需要的力，其中单位变形与力值都是一种广义定义。建筑结构物受到的力复杂多变，大小和方向都会不断发生改变;为此其变形也随之而不断变化。依据力与变形的不同，建筑结构物的刚度主要包含有结构刚度、杆件刚度、截面刚度等。

2 建筑结构设计中刚度的运用与控制

建筑结构的方案设计阶段，主要是针对建筑结构物的不同布置方式与选型方式，实现内力分布的合理化，尽可能减小整体结构中的应力集中区域，进而实现结构的安全系数的提升。从结构设计这一阶段可以看出，通过实现结构体系整体应力分布的合理性，从根本上而言，为结构体系整体刚度的优选过程。对于建筑结构而言，整体刚度的均衡，是保障结构稳定性的根本前提。

2.1 建筑结构体系的选择基于结构整体的刚度需求

建筑结构设计过程中，其刚度的匹配性是建筑结构体系选择的前提条件之一。从理论的分析可以知道，建筑结构的侧移与结构高度的四次方存在这正比例关系。然而当前我国建筑业的不断发展，建筑物的高度日新月异，不断产生新的突破。为此建筑物设计过程中，其整体的刚度需求也随之大幅度增长。

从建筑结构体系的发展而言，建筑结构物由原来的框架结构，逐渐转变成为框架剪力墙、束筒结构、筒体结构等等。这一转变正是由于建筑结构物的高度的提升，其结构的刚度需求也不断提升。对于高度不大的6 层小高层住宅区而言，可以采取使用一些刚度较小的框架结构，而对于30 层以上的商品房，则必须要采用增加剪力墙的方式来实现建筑物整体刚度的提升。对于一些超高层建筑，则需要通过采用刚度更大的结构体系----筒体结构。由此可以预见，未来建筑物将会对结构的整体刚度有着更高的需求。

此外，《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中，对于不同高度的建筑物，都定义了最高的建筑高度，这主要是由于不同的结构体系，对结构物的整体刚度不同，通过结构体系来实现结构的刚度增强，进而有效提升建筑物的稳定性。为此建筑结构物对于结构的整体刚度需求有着非常大的依赖性，随着结构刚度的不断提升，建筑设计也随之产生相应的创新。

2.2 建筑结构设计过程中通过规则性的布置方式来提升局部刚度的均衡性需求

建筑结构设计过程中，应尽可能使得建筑结构平面布置简单规则。这是由于不规则的平面布置方式会造成平面的刚度不均匀，导致建筑结构物的重心与结构物的刚度设计不重合，使得结构物产生大的扭矩，造成扭转变形。

建筑结构设计时，针对不规则的结构体系，往往会设置一些防震缝，如此将建筑结构物进行细分，使得结构划分成为机构规则的结构单元，如此可以有效的实现建筑结构自身的重心与建筑物的刚度设计保持一致。

建筑结构竖向布置不规则时，则不能够采取设置防震缝的方式来实现，变存在一些竖向侧向的刚度突变区域，这一区域亦称之为建筑结构的薄弱层。对于建筑结构而言，薄弱区域会由于应力集中或者塑性变形集中而造成结构物的失稳。对于一些大型的竖向不规则建筑物，一般建筑结构都会设置相应的转换层来提升结构的刚度。

2.3 刚度为建筑经济性与合理性的需求

对于建筑结构设计而言，其刚度的控制水平直接关系到建筑结构的设计优劣。例如，建筑结构设计时，建筑物的抗震与抗风荷载作用与建筑物刚度需求是相互矛盾的，因为建筑物承受的地震荷载作用是一种水平向与竖向结合的荷载，与风荷载作为主要为水平荷载作用，结构物的刚度需求是一种纵向内力的合理化分布。为此抗震设计时，其结构物的刚度越大，则会导致地震荷载对结构物的横向作用影响越大。为此从抗震设计的角度而言，结构物的刚度越小越好。建筑物在稳定的风荷载作用下，其结构自身应具备相应的侧移条件，如此建筑结构的刚度越大，其抗风荷载作用越好。

为此建筑结构设计时，应首先对建筑物本身的各方面的需求进行综合考虑，如处于地震区域的建筑，其自身的抗震需求越重要;而处于一些非地震地区，高层建筑则对风荷载作用的抵抗性要求越高。只有权衡各个方面的因素，才能选取合理的刚度设计，实现建筑结构设计的合理性与经济性。

3 建筑结构刚度的调整措施

通过上文的介绍，可以看出通过调整建筑结构物构件的截面尺寸、构件之间的约束方式、构件的布置方式等等方式，都可以实现结构的刚度提升。然而除了这些基础的调整方式之外，还可以通过下列途径，实现建筑结构刚度的调整。使得建筑结构设计更加合理与完善，实现经济化的发展需求。

(1)施加预应力，有效提升建筑结构刚度。通过添加预应力的方式来提升结构刚度，主要是针对于一些受力瞬变体系，即活荷载为主要的荷载作用。针对这种瞬变结构体系，则需要增加水平向的预应力作用，来提升结构的整体刚度，实现结构的稳定性增强。

(2)优化结构的传力路径。对于一些框架结构，都是将力由梁传递至柱，再传至地基，为此对于框架结构，基础为一个非常重要的部分。这种传力方式，对于基础的要求相对比较高。为此可以通过优化结构的传力方式，来实现整体结构物的稳定。如构建一些副梁来抵消部分主梁的荷载作用，使得传力的路径得以优化，进而实现建筑自身刚度的提升。

(3)改变约束方式，实现结构刚度的优化。框架结构设计时，其楼梯与梯板之间都是采用斜支撑的方式进行固定，为此两者之间的刚接将会使得斜向梯板与楼梯附近成为一个应力的突变区域，这一区域便会形成应力集中，若设计不慎，楼梯处的破坏与崩塌，便会形成逃生通道堵塞。设计过程中科技通过梯板与平台板之间通过滑动接触，如此可以有效的减小刚度突变的风险，实现建筑结构整体刚度的均匀。为此通过约束方式的优化，也可以实现结构刚度的提升。

4 结束语

建筑结构设计过程中，因抓住结构刚度这一条设计主线来进行。如钢筋混凝土结构与钢结构之间的最本质区别在于，钢筋混凝土的开裂会对结构物的刚度造成非常大的影响，导致结构发生非常复杂的应力变化。为此建筑结构设计过程中，应综合考虑建筑的刚度需求，针对各项因素的综合考虑，选择最合理的设计刚度，实现建筑物设计的经济化与合理化。

［1］计学闰，计锋，王力.结构概念和体系［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［2］章丛俊，黄柏.百米高层住宅剪力墙结构设计中若干问题的分析［J］.建筑结构，2014.

［3］JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.