浅析建筑结构设计中刚度的运用和控制

浅析建筑结构设计中刚度的运用和控制

陈伟雄

广东省河源市517000

【摘要】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人的影响，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。

【关键词】建筑；结构设计；刚度；运用；控制

引言：从理论上来看，刚度指的是位移、转角、变形等所需要的力量，它是一种限制作用的力，对工程结构的内在本质起到关键的控制作用。刚度理论在工程结构设计中可发挥宏观调控的作用，它要求对结构进行定量和定性的分析，从而避免或减少建筑结构的安全隐患，本文针对刚度理论在结构设计中的作用和体现进行了探讨。为保证结构的安全可靠，建筑结构设计要求对所有结构和构件应进行承载能力极限状态设计和正常使用极限状态设计，也就是保证结构在各类荷载作用下建筑物既不发生强度破坏和局部性破坏，也不应该出现过大变形。超越正常使用极限状态，使用功能在荷载不变的情况下同一建筑结构刚度越大结构的变形越小，而刚度越小结构的变形越大。建筑结构上的重力荷载、风荷载和地震荷载等使构件，或结构产生的变形、内力及动力特性等都是通过杆件刚度、构件间的相对刚度和结构刚度来反映和体现的。因而在结构设计中，无论是对结构进行定性分析还是对结构进行精确的定量分析，都要用到“刚度”这个概念刚度概念。将贯穿结构分析的整个过程一幢建筑物的结构设计行与不行和好与不好，关键在于结构整体的刚度和构件的相对刚度控制得是否怡当合理。所以，对设计人员来说，对结构刚度一定要重视认识、理解透彻，以便在结构设计中科学合理。

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、截而刚度等。

2.刚度理论在结构设计中的体现

2.1建筑结构设计高度力向的变形刚度与侧向刚度不冲突

由于建筑结构设计中的侧向刚度处于连续而均匀的变化状态，其整体的变形曲线是光滑的，因此，楼层转角的位移小会发生突变，楼层的整体结构也比较结实，这样的结构具有强大的抗震能力，即使发生地震，也小会出现建筑物倒塌或者人员伤亡的情况，在高层建筑的结构设计中，一般要求低位转换，这样就小会造成侧向刚度在高度变形的力向上发生变化，有利于避免楼层薄弱部位的产生。

2.2计算出准确的抗侧力构件的内力

从性质上看，抗震结构在整个建筑结构中属于刚性结构，我们可通过数学的计算模型来确定结构的整体受力情况，从而推算出它的抗侧力刚度，在计算过程中，必须明确建筑结构构件在垂直力向上的水平力以及该水平力的具体分布情况合理运用刚度理论的概念，对于建筑结构的设计来说是必要的，只有这样才能保证建筑结构的安全性和可靠性，并使构件的内力更加准确可行在确定抗侧力构件内力的过程中，首先需要分析楼盖的刚性，楼盖刚性有无限刚性和有限刚性之分，当楼盖属于有限刚性时，应把楼板变形的情况考虑在内，并合理运用计算程序对构建内力的大小进行分析，在楼面设计的过程中，刚性的设计要求比较严格，相关设计人员应重视对刚性的把握。

3.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。

3.1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---一筒体结构。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，这主要是山于不同的结构体系，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。

3.2使连体高层作为一种新型的建筑风格出现在神州大地

连体高层指的是两座具有相连部分的建筑物，这种新型的建筑风格是刚度理论作用的体现，从综合性的角度来看，这种建筑物小仅具有一定的美感，同时也能增加建筑物结构的整体刚度，然而由于技术条件不够成熟，我国的连体高层并非是十全十美的，连体的部位由于局部刚度过大，导致建筑物的受力过大，在地震时的承受能力也就小强，尤其是连体的脆弱部分，很容易发生损坏，因此，在连体高层建设之前，首先要对施工现场进行考察，了解该场地的地质条件以及历史上有无断层活动等情况，这样才能使连体高层的使用寿命增长

3.3通过设置楼层加强层来改善结构侧向位移偏大的情况

随着刹一会经济的发展以及城市化进程的加快，我国的建筑工程规模也逐渐增大，从性质上看，大多数的建筑工程都是高层建筑，高层建筑具有高度大、宽度大的特点，一旦侧向位移达小到标准限度或者仅仅达到最低限度，建筑结构的质量就会受到影响，然而，从当前的形势来看，我国的大多数高层建筑工程都存在着结构侧向位移不达标的问题，要使这样的情况得到改善，首先必须考虑到楼层的强度，为了实现最大的经济效益，大部分企业都采用的是在楼层高度较大的地力设置加强层，这种设置加强层的力法是结构刚度设计概念中针对结构侧向位移采用的一种力法，在加强层的设置当中，理论计算是必不可少的，日前，大多数建筑结构设计中的加强层都是针对建筑的使用者来进行设计的，设备转化层和逃难层是最常见的加强层，加强层的设计属于建筑整体设计的一部分，因此，需要与建筑结构的整体设计相协调，这就要求在进行加强层设计之前，首先应找到其与建筑结构整体设计的共同点。高宽度较小的高层建筑物顶层盖板是比较牢固的，因此，一般情况下并不需要进行加固，但对于高宽较大的高层建筑物来说，其顶层盖板最好采用钢筋进行加固，这样才能使结构的侧向位移保持在合理范围内。

3.4刚度概念在确定结构计算模型中的应用

结构分析首先要确定计算简图，计算简图是对实际结构的合理简化，略去不影响工程精度的细节，突出其特点。计算简图简化的合理性决定了分析计算结果的正确程度，而计算简图的简化主要来源于刚度的简化。在荷载作用下超静定结构的内力分布与各杆的刚度比值有关，而与其绝对值无关。因此，可利用相对刚度的概念予以简化，将相对刚度大的部分简化为无限大刚度，相对刚度小的部分简化为零刚度。

4.结束语

综上所述，本文主要基于刚度自身的概念展开叙述，主要讲述了建筑结构设计中如何合理的运用其刚度，实现对建筑物内部重力分布的控制，进而有效的保障建筑结构的安全性。日前，我国许多建筑工程的结构设计都运用到了刚度理论.该理论体现在结构设计的多方面。对建筑工程结构的质量具有重大的促进作用。对于建筑结构而言，刚度设计可以有效的控制结构物的变形在标难范围之内，同时建筑结构的刚度可以有效的控制结构物内部的应力分布，为此建筑结构设计过程中，刚度的运用与控制有着非常重要的意义。

参考文献：

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