分析结构设计中刚度理论的作用和体

文/刘波 湖南中大设计院有限公司 湖南长沙 410000

现阶段，建筑设计标准不断提高，尤其是结构性能，使得设计人员更加注重结构与构件的性能分析。从理论上来说，结构与构件变形协调与内力，通常是依靠构件之间的相对刚度而实现，因此若想提高建筑物的抗震性与风力承载性能，则必须注重刚度的作用。

1、刚度理论运用的必要性

从建筑性能角度来说，判断其好坏的标准，主要是从结构刚度和建筑构件的相对刚度角度分析，看其是否合理。在设计时，进行结构布置与构件截面调整，主要是为了确保结构刚度能够达到相关要求。基于此，在结构设计时，要强化刚度理论运用的意识，按照设计概念与规范，以保障设计的效果。

2、结构设计中的刚度理论的作用

2.1　提高建筑抗震性能

以高层建筑为例，若为侧向连续均匀变化，建筑整体曲线较为光滑。如此，建筑各楼层均不会发生位移突变问题，刚度较为理想，即使是遇到地震情况，也不会出现倒塌现象。若建筑存在突变情况，则刚度突变点为薄弱点。在薄弱区域应力相对集中，极易产生塑性变形，当遇到强烈地震时，极易受损坏，发生倒塌，造成极大的损失。若高层建筑中设置了转换层，要选择低位转换层。同时在转换层的上下层内，要确保刚度的连续性。按照相关规定，建筑底部的1-2层大空间的剪力强结构，将转换层的剪切刚度给控制在1左右；若为非抗震设计，则控制为≤3；若为抗震设计，则控制为≤2。考虑到厚板转换结构，其转换层上下层的变形曲线，受到力的作用，极易发生突变。基于此，不建议使用厚板转换层[1]。

2.2　实现侧向刚度均衡，能够避免结构扭转

以结构主轴方向为例，侧向刚度均衡，能够抑制结构扭转效应。此类结构特征较为相似，尤其是两个或以上个数的方向动力特征，若发生扭转效应，通过表面判断，难以及时发现。若遇到地震或强风，结构安全性能较好。基于此，开展结构设计，对抗震结构，要求平面长宽比要小。同时要保证抗侧力构件要均匀、对称分布，确保建筑的安全性。若能够保证建筑结构主轴方向侧向刚度平衡，能够避免发生扭转。

2.3　确保构件内力的精准性

以刚性高层抗震结构为例，从计算数学角度来说，竖向构件所承受的水平力，要按照抗侧力刚度进行分配。基于此理论，开展结构设计，能够获得不错的效果，不仅可保证建筑的安全性，还能够确保构件内力的精准性，避免安全隐患。

3、结构设计中的刚度理论作用与具体体现

3.1　柱构件

框架结构中，对于柱构件的布置，其截面高度与宽度比值差异，在柱子方向的摆向，刚度差异角度。除此之外，梁界面尺寸对侧向刚度，也有着不同程度的影响。基于此，开展结构设计，可运用此特性，实现上两项刚度的均衡。以某工程为例，其为办公建筑，总计5层，采用大开间。基于刚度理论，为确保结构刚度，楼面与屋面等，采用现浇结构，基础为柱下独立基础。框架结构设计内容如下：1）通过框架梁截面尺寸估算与框架柱截面尺寸估算，柱截面尺寸选为500×500mm。2）框架梁柱的线刚度计算简图如图1所示，底层柱线刚度为3.26×104kN·m；其它层柱线刚度为4.34×104kN·m。3）柱自重为6.25kN/m。从建筑质量检测情况来说，能够达到抗震要求。从使用情况来看，建筑结构的抗震性能较好。总体来说，为确保框架结构的刚度合理性，要结合实际情况，按照抗震性能要求，精准计算。

图1　计算简图

3.2　梁构件

总体来说，刚度理论在建筑结构中的梁构件中的作用体现如下：

1）利用多跨次梁计算简图，如上述图1所示，能够使得支座主梁刚度达到设计强度。楼盖中，需要明确次梁计算简图，则需要分项分析支座。因为支座沉陷时，其受力会减小，因此除了要注重计算结果外，还需要做好配筋量分析。

2）若楼层封口梁刚度能够达到要求，则可以改变传力路径。在设计时，可以将楼层封口梁支承在框架悬臂梁中，不同的悬臂梁会分走荷载。但由于封口梁的刚度较大，楼层悬臂梁的刚度比框架悬臂梁小。如此，极易造成封口梁的荷载全部传递框架悬臂梁。基于此，由于框架悬臂梁的配筋少，所以可能会增加安全风险[2]。

3）基于刚度理论，平衡交叉梁传力关系，进而保障建筑性能。交叉梁也有荷载，荷载的传递，要按照方向梁的线刚度比，若两项梁跨度值相同，则二者共同承担荷载。若跨度值差距较大，则刚度差别也会比较大，荷载则由刚度大的梁承担，使得交叉梁的传力关系，转变了主次梁关系。

4）基于刚度值，由角部相交边梁来承担荷载。通常情况下，建筑物中角部相交边梁截面积相同，若刚度值接近，则变为双向双悬臂梁关系，此时能够平分荷载。若刚度不同，则可看作为主次梁关系。若刚度相差不大，则由长跨度梁承受力。需要注意的是，在进行设计时，从安全角度考虑，要按照支承关系来计算，并且配筋。对双悬臂，则可适当的增加长向梁的底筋数量。对主次梁，则可适当的增加长向梁面筋数量。

3.3　墙构件

刚度理论在建筑结构墙构件中有所体现。竖向构件平面内，剪力墙刚度一般大于柱的刚度。基于此，在进行布置时，若存在剪力墙结构，则需要融合刚度理念，来提升设计质量。总的来说，刚度理论的运用，要贯穿建筑结构设计的全过程，做好全面分析与把控，以保障建筑结构的性能[3]。

结语：

综上所述，实现侧向刚度均衡，能够避免结构扭转；运用刚度理念，能够确保构件内力的精准性，提高建筑设计质量。刚度理论的应用，发挥着积极的作用，从墙构件、梁构件、柱构件等方面，做了简单的论述。

参考文献：

[1]徐铁山,刘华丽.刚度理论在结构设计中的作用和体现[J/OL].工程技术研究,2017(09):232-233.

[2]徐铁山,刘华丽.刚度理论在结构设计中的作用和体现[J/OL].工程技术研究,2017(09):232-233.

[3]郑瓛.分析刚度理论在结构设计中的作用和体现[J].中国战略新兴产业,2017(24):164.