柳州市建筑设计科学研究院 广西柳州 545001
摘要：刚度是指产生单位变形（包括位移、转角等）所需施加的力，也就是能限制作用力产生变形的性质，在工程结构应用中有重要体现。在结构设计与优化中，可应用刚度理论对结构进行整体布置，精确地进行结构分析，尽可能减少结构可能产生的不安全因素，确保结构受力合理并节约资源。本论文主要内容包括：刚度理论的基本概念，在设计过程中刚度概念的应用，刚度概念在构件设计中的体现等。
关键词：刚度；结构设计；荷载
0 前言
工程结构的设计是否合理，首先在于结构的整体刚度，结构刚度的分布和构件中的相对刚度控制得是否适当也很重要。设计人员进行结构的布置和构件截面的调整，目的都是设计合理的结构刚度，因此刚度的概念体现在结构设计的全过程。
1 在设计过程中刚度概念的应用
1.1 高宽比、长宽比的限值
提高结构的刚度可减小结构的位移，提高结构的有效宽度可以抵抗倾覆力矩，减小侧向位移，建筑物的平面长度不宜过长，长度较大的楼板，在平面内会产生扭转和挠曲，导致与假设为无限刚性的条件不符，为避免这些变形造成的复杂应力，有必要对建筑物的长度进行一定范围的限制。如图1-1所示，结构平面的长宽比为A/B，竖向高宽比为H/B。
图1 结构平面的长宽比和高宽比
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）对结构的高宽比H/B和结构平面的长宽比A/B均作了限制，实质上是对结构整体刚度的控制，包括整体刚度的大小和均衡。限制高层建筑的高宽比也是为了减小高层建筑在水平力作用下发生倾覆和在水平竖向力作用下丧失整体稳定的可能性，高宽比限值通常是经验性的限值，通常情况下，符合高宽比限值要求的建筑物一般容易满足侧移限值。
在结构布置时，尽可能把抗倾覆的竖向构件布置在结构平面的最外缘，不设内柱，很大程度上可减小由于倾覆作用产生的内力，从而增强结构抵抗位移和侧向力的能力。
1.2楼层平面刚度
楼盖对于结构的整体性有非常重要的作用，楼盖在整体结构中相当于水平隔板，不仅要传递水平力到结构各个竖向抗侧力构件，而且协同这些竖向抗侧力构件共同工作，楼盖体系就是要提供足够的平面内刚度和抗力，并与竖向抗侧力构件安全有效的连接。
高层结构的楼盖是刚度非常大的，这样可以保证结构的竖向构件所承受的水平力按抗侧力构件的刚度进行分配。若把楼盖没有做成刚度无穷大，比如楼板上开洞比较大，设计中很难准确掌握其各竖向构件内力的大小。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中规定“进行高层建筑位移和内力计算时，可假定楼板在平面内为刚度无穷大，因此需要采取一定的措施确保楼板平面内整体刚度，当楼板发生明显的面内变形时，设计中应考虑楼板的面内变形或对采用楼板面内刚度无穷大的假定的计算结果进行适当调整。”
1.3结构的侧向刚度沿高度均匀连续变化
对于侧向刚度的均匀连续变化的高层建筑来说，其整体变形曲线是光滑的，基本在任何楼层中都不会产生位移突变，就不会产生楼层的薄弱层，而对于楼层刚度突变的建筑物，容易在楼层刚度突变的位置形成应力集中，形成薄弱层，在地震作用下很容易产生破坏。
高层建筑中有时需设置转换层，设置转换层尽可能在低层设置，而且要避免转换层的上下层刚度发生突变，保证刚度的连续性，尽可能不产生薄弱部位。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中规定：对底部1-2层大空间的剪力墙结构，要求转换层的上下层的剪切刚度比Y应接近1，非抗震设计时的Y应小于3，抗震设计时的Y应小于2。
1.4剪力墙的连梁尺寸对剪力墙刚度的影响
在框架剪力墙结构体系中，由于设置在结构中的剪力墙是少量，而且分散布置的，这样形成的结构的整体刚度比较小，为了在一定程度上增强结构的整体刚度，布置一些剪力墙并使其成为抗侧力的主要构件，在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中规定：一、二级抗震剪力墙的洞口连梁跨高比不宜大于5，且梁截面的高度不宜小于400 mm，连梁的刚度不应太小；而在剪力墙结构体系中，剪力墙的数量较多而且成片相对集中地布置，这样形成的结构整体刚度非常大，在遭受地震作用时，结构吸收大量的地震能量，对结构受力不利，结构的造价也会比较高，经济上不合理，规范中规定：将一道抗震剪力墙分成长度均匀的若干个墙段，洞口连梁的跨高比宜大于6，就是要求连梁的刚度不宜太大。因此在一定程度上控制剪力墙的连梁刚度，可以调整结构的整体刚度并使开洞剪力墙发挥更大的抗侧力作用。
2 刚度概念在构件设计中的体现
在框架结构柱构件的布置中，柱子截面高宽比和截面尺寸的不同将在两个主轴方向产生很大的刚度差异，结构设计中有必要利用这一特征来适当调整结构两向刚度的均衡。
2.1 刚度概念在板式构件中的体现
矩形平面楼盖按照两向刚度比分为双向板与单向板，在计算四边支撑的楼板时，应该按楼板的长宽比将楼板进行划分：当长/宽>2时，楼板上的荷载主要是沿着板的短边方向进行传递，这时按照单向板进行计算；当长/宽<2时，楼板上的荷载主要是沿着板的双向传递，这时按照双向板进行计算。因此荷载的传递方式主要取决于楼板两个方向的平面外刚度比，当刚度相差越小，荷载就会沿着板的双向传递；当刚度相差越大，荷载就会沿着板的刚度较大的方向传递；
楼板的边界条件由相邻板的刚度比确定，按弹性理论进行计算时，楼板支座边界条件通常是这样规定的：当楼板的邻边有楼板时，边界条件假定为固定端；当楼板的邻边无楼板或相邻是孔洞时，边界条件假定为简支。按刚度理论进行计算时，通常按照相邻构件刚度的比值确定边界条件，但存在例外的情况，例如当支承端跨板的边梁为宽扁梁或深梁时，由于边梁的抗扭刚度较大，可把边梁作为楼板的固定端。
2.2刚度概念在梁构件中的体现
建筑结构中，通常由纵横交错的主次梁支承楼盖体系。当主梁的刚度远大于次梁时（一般认为当主梁的线刚度大于或等于8倍的次梁的线刚度时），这时主梁可以看作次梁的“不沉降”支点。次梁按单跨梁或多跨连续梁来确定计算简图，楼盖体系按主次梁体系计算。一般荷载的传递路线是：板面荷载--板--次梁--主梁。
交叉梁的传力关系按照刚度理论交叉梁系的荷载传递方式，决定于两个方向梁的线刚度比值。当两个方向梁的跨度相同或接近时（即其线刚度比值近似1时），作用在梁上荷载由两方向梁共同承担；当两个方向梁的跨度相差很大（即其线刚度相差较大时），荷载为单向传递，荷载最终基本上由线刚度大的梁承担，这时的结构形式是交叉梁系，但受力上作为主次梁系。
2.3刚度概念在剪力墙构件中的体现
在剪力墙结构体系中，剪力墙是结构的主要抗侧力构件，为了确保其刚度，《建筑抗震设计规范》GB50012 -2011规定：一、二级抗震剪力墙的洞口连梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400，即要求连梁的刚度不宜太小。但抗震设计中的连梁，其刚度也不是越大越好，刚度越大，构件所受弯矩、剪力值大，不易实现抗震设计中强剪弱弯的要求。对于跨高比较小的连梁，可采取菱形配筋和交叉配筋等措施提高其延性，设计成延性耗能连梁。
剪力墙与柱都是结构的竖向构件，但剪力墙在平面内的刚度一般是大于柱的，故在设计剪力墙构件中，剪力墙的平面尺寸、位置以及形状等对于结构刚度有很重要的影响，由于较长的剪力墙的高度和宽度比会减小其平面内的刚度，受到地震作用时可能会出现脆性破坏，进而导致相邻的构件也破坏，抗震的规范要求构件达到强剪弱弯的目的，避免结构构件出现剪切破坏，就需要在比较长的剪力墙上开设洞口，将其分为若干个均匀的墙段，即将刚度较大的整体单肢墙通过洞口变成双肢或者多肢墙，从而避免发生剪切破坏，提高其变形能力。
3 结论
在工程结构设计中，应首先按照刚度的理论要求选择结构体系，合理调整结构的平面与竖向布置，均匀布置结构构件，避免产生刚度突变。合理设置结构体系的过程也是合理调整结构刚度并不断完善的过程。在结构的概念设计阶段，应充分重视刚度理论的应用，合理的结构刚度是结构设计的目标、刚柔相济也是结构设计师不断追求理念。
参考文献：
[1]郑琪，基本概念体系（建筑结构基础），中国建筑工业出版社，2005.10
[2]张元坤、李盛勇，刚度理论在结构设计中的作用和体现，建筑结构，2003（2）
[3]吕西林.高层建筑结构，武汉：武汉工业大学出版。2001
[4]方鄂华，高层建筑钢筋混凝土结构概念设计，机械工业出版社，2004.9
论文作者:谢超
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/12
标签：刚度论文; 结构论文; 构件论文; 楼板论文; 荷载论文; 剪力墙论文; 楼盖论文; 《基层建设》2016年4期论文;