浅谈结构刚度在建筑结构设计中的应用

1. 前言

随着高度的增加，建筑的侧向位移迅速增大，因此结构设计时不仅要求结构有足够的刚度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振周期等动力性能，并使水平作用力下产生的层间位移控制在一定范围，同时结构还应具有良好的延性，以吸收地震能量。

2. 建筑结构刚度的概念设计原则

2.1. 结构刚与柔的选择

多次地震事实表明，结构变形越小，地震的危害就越小，但是不能得出刚度越大越好的结论，因为刚度愈大地震作用愈大，材料用量也会增加，而且现实中不能实现刚度无限大，所以结构必须要有一定的延性。此外，结构振动和变形的大小不仅和结构刚度有关，还与场地有关，因为当结构自振周期与场地土卓越周期接近时，地震作用急剧加大。因此，对于建筑抗震设计，不能做出“刚一些好”还是“柔一些好”的简单结论，而是要求结构整体刚度要“刚柔相济”。结构过刚则变形能力差，意味着外部能量主要由自身抵抗、吸收。对于地震作用，显然是不利而且不经济的。结构过柔则变形过大，在风荷载作用下会有使用上的不适感。严重时会整体倾覆。总之应在“刚、柔”之间寻找合理的度。

2.2. 结构平面布置刚度宜均匀、减少扭转

抗震结构平面布置宜简单、规则、尽量减少凸出，凹进等复杂平面，但是更重要的是平面布置时要尽可能使平面刚度均匀，所谓结构平面刚度均匀就是刚度中心与质量中心靠近，是楼层抗侧构件水平位移同步，减少地震作用下的扭转。平面刚度是否均匀是地震造成扭转破坏的主要原因，而影响刚度是否均匀的主要原因是抗侧构件的布置，平面一侧的刚度集中是不应采取的，大刚度抗侧单元偏置的结构在地震作用下扭转更大，某一局部相对其他部分刚度过大，往往意味着其将承担更大的能量、内力，一旦破坏，结构将发生连续性倒塌。对称、均匀的结构往往更合理，因为其各体系、各构件内力更均匀，抗倒塌性强。同时，较高的建筑物不宜做成长宽比很大的长条形平面，因为它不符合楼板在平面内无限刚性的假定。

2.3. 结构竖向刚度宜均匀，避免软弱层，减少鞭梢效应

结构宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的梯形，更重要的是结构的抗侧刚度应沿高度均匀或沿高度逐渐减小。竖向刚度是否均匀，也主要涉及抗侧构件的布置，上下两层抗侧构件布置位置以及楼层整体刚度大小的变化都是影响竖向刚度是否均匀的因素。

3. 刚度理论在结构设计中的体现和应用

3.1 结构体系的演变体现了结构对整体刚度的要求

以钢筋混凝土结构为例，随着建筑高度的不断增加或抗风、抗震等级的提高，结构体系由纯框架结构，逐步演变出框剪、剪力墙、筒体- 框架、筒中筒、束筒结构等，也就是随着结构高度的增加，承受风荷载与地震荷载也就越来越大，对结构的整体刚度的要求就越高。

3.2 刚度理论在设计过程中的几个体现

1）在剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件，由于结构中剪力墙墙体往往过多，吸引的地震力大，因此《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 第 6.1.9 条规定较长的抗震墙宜开设洞口，将一道墙分成长度较均匀的若干段，洞口连梁的跨高比宜大于 6，各墙段的高宽比不宜小于 3，这是要求连梁刚度不宜太大。规范这些要求是通过控制剪力墙连梁的刚度，来调整剪力墙墙体的刚度，从而使结构整体刚度调整至符合要求的程度，更好发挥剪力墙的整体发挥。

2）解决平面刚度突变的最佳办法是设置防震缝 当建筑平面的使用功能非常优越，但出现平面薄弱部位，薄弱部位的平面刚度产生突变，即使采用“精确”的电算程序进行计算和多种构造措施加强，都很难保证该薄弱部位构件抵抗地震作用的强度和变形能力时，通常采取设置防震缝方法，从该位置将建筑物分成独立的结构单元。对于高烈度区的框架结构，为了减小防震缝两侧碰撞时的破坏，有时需要在防震缝的两侧设置抗撞墙。这是处理平面刚度突变的最佳方法。

3）具有足够楼层平面刚度的地下室顶板才能作 为上部结构的嵌固端上部结构以地下室顶板为嵌固端， 既保证上部结构的地震剪力通过地下室顶板传递到全部地下室结构， 同时也保证上部结构在地震作用下的结构变形是以地下室顶板为参照原点，这是结构整体分析的需要，也是人们对结构实际变形的期望。为了满足成为上部结构的嵌固端的要求，规范有原则性的定量规定：“地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的两倍”，具体的定性和定量规定则有：“顶板不能 开设大洞口，并应采用现浇梁板结构，楼板厚度不宜小于 1 8 0 m m ， 混凝土强度等级不宜小于 C30”等，这是高层建筑对确定计算简图大前提的规定，此条的重要性涉及到结构计算分析结果的可靠性和准确性。

4. 上部结构刚度对基础设计的影响

建筑整体结构由上部结构与地基基础两部分组成 , 上部结构与地基基础共同作用，即是把上部结构、基础和地基 ( 有桩基础包括桩 ) 三者看成一个整体，并要满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。上部主体结构的安全与否 , 不仅取决于自身各种构件的强度 , 同时还受地基基础变形的影响。而地基基础的设计又要充分考虑上部结构的刚度问题 , 不同的上部结构形式对地基基础变形的适应能力不同，因而了解上部结构的刚度特点对地基基础的设计十分重要。

通过建筑施工的了解与进一步的深入分析可知，不同类型的上不结构对于其对应建筑底部施工工地地基基础的变形适应能力也会不同。一般会将上部结构分为刚性与柔性结构以及半刚性结构。而柔性结构是这几类结构中具有较强适应变形能力的一种结构，现今遗留很多木质的古建筑中很少会发现因为地基变形的原因而受到损坏。而上部刚性结构虽然没有上部柔性结构那样具有较强的适应变形能力，但是上部刚部结构对于一些不均匀，不平整的地基基础则具有较强的抵抗能力。刚性结构的抵抗能需要严格确保在清楚知道地基变形的倾斜值的基础之上，才能对地基进行相应的设计选用。而半刚性的结构本身就具有其他两种上部结构所不具有的可承受部分的挠曲功能，且其还有有调整部分地基变形的能力 , 但如果调整部分超过半刚性结构可调整的一定限度就会使主体结构构件受损 , 导致建筑物出现开裂现象。

因此要研究上部结构刚度对基础设计的影响的共同作用，进而考虑不同刚度类型的建筑地基基础设计问题。

6. 结语

在结构设计中，应按照刚度理论的要求去选择结构体系，调整平面与竖向体系的设置，合理调整结构刚度的分布，优化结构构件间的相对刚度，最后通过细部设计来调整构件之间的相互关系，提高构件和结构的效用，使整体结构发挥出预期效果的结构设计。

参考文献：

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