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1、第33卷第2期建筑结构2003年2月刚度理论在结构设计中的作用和体现张元坤李盛勇（广东省建筑设计研究院广州510010）提要结构设计中不仅必须重视属于结构外部因素的力，而且要牢牢地掌握及控制好属于结构内部因素的刚度。前者所涉及的力的平衡、结构或构件变形的协调以及由此而产生的构件内力都是通过后者所包含 的绝对刚度、线刚度及相连构件之间的相对刚度来体现的。通过举例，叙述并分析刚度理论在整体结构及单一构件中的体现，从中折射岀刚度理论在结构设计中所起的重要作用，有助于结构设计人员对刚度理论有一个清醒的认识和清晰的概念，并在具体的结构设计中科学地运用，避免结构产生不安全因素，以达到结构受力 合理且能获得
2、最佳经济效益的目的。关键词结构设计力刚度绝对刚度相对刚度概念设计In the structural desig n, the factors, which n eedto be concern eda nd con trolled well, in dude not only the exter nal forces,but also the internal rigidity. T heformer factors, such asthe equilibrium of forces, the deformatio nof structures sb well asthe in ter nal
3、stressesareall main ly lied on the later factors,i ncludi ng absolute rigidity, li near rigidity and rel ative rigidity betwee nm embers.Some example are give n to prese nt the theory of rigidity and a nalyzeits applicatio n in membersa nd structures to reflect the theory! s imports ncei n the struc
4、tural desig nt will alsohelp the desig nerses tablish clears nd correct c on cepts,o)ply them efficie ntly at work, avoid any un safefactors in structures, at last achieve#第33卷第2期建筑结构2003年2月rational structures and best economc effects.Keywords: structural design; force; rigidity; aosoluterigidity;一、
5、刖言在结构设计过程中的结构布置（包括竖向构件和水平构件布置）和结构计算分析（包括计算假定和构件 内力分析）阶段，一般的设计人员比较关注的是荷载的 产生及其数值大小，即比较注重力的概念而往往会 忽视或轻视结构或构件抵抗外力的变形能力、反映结构构件内在联系、影响构件内力及变形相互关系的 刚 度 概念。事实上，结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力都是通过构件自身的线刚度（由截面尺寸及三维空间的第三方向尺度和材料特性三要 素构成）以及连接构件之间的相对刚度的大小来体现 的。换而言之，属于结构外部因素的力？楼层作用荷载、风力、地震作用以及建筑物的自重等在结构内 部的作用、传递以及所引起的结构
6、反应都要通过属于 结构内部因素的刚度来完成。既为内部因素，从哲学的观点来说，它比起外部因素当然更是事物的本质 所在。另一个事实是，在结构技术书籍和各类结构设计 规范（规程）中有关构件计算和构造方面的论述，其核心内容也常以刚度为主线。因此，结构工程师应十分重视、透彻理解结构刚度理论，尤其是对相对刚度理 论。在结构设计中对刚度理论科学地运用，从高层次、高要求的角度看就显得十分必要和重要，它不仅能够relative rigidity避免结构产生不安全因素，消除结构隐患，而且可以保 证构件以至于整个结构在荷载作用下，受力合理并获得最佳的经济效益。前者是对结构设计的最基本要 求,当然也是最重要的要求；而
7、后者则是对结构设计的 更高、更全面的要求，也即是结构优化设计终始目标的 内容。此外，对结构设计工作来说，运用了刚度理论可 进行整体结构的宏观控制，具有定性且定量、准确有 效、简捷方便的特点，有利于缩短设计周期，节省人力 和时间，提高工作效率。二、刚度概念贯穿于结构设计的全过程一幢建筑物的结构设计行与不行和好与不好，关键在于结构的整体刚度和构件的相对刚度控制得是否 恰当合理。事实上，结构设计人员在结构设计过程中 所进行的结构布置和构件截面的调整，都是在寻求一种合理的结构刚度，所不同的是意识的强烈程度,而结 构设计的基本概念以及结构设计规范的原始精神都是 围绕着刚度这一基本原理来展开的。以高层抗震
8、建筑 结构为例，刚度概念则贯穿于结构设计的全过程。1对楼层平面刚度无穷大的结构可以较准确地求得各抗侧力构件的内力高层抗震结构的楼层是刚性的，则能够保证结构的竖向构件所承受的水平力是按其抗侧力刚度分配#第33卷第2期建筑结构2003年2月#10 C hin Aeiidtinic Jcumci. F.lecLianic Publishnik；丨比m AJlcstr.ee. hl ip ：/?wvvwxiilt7net的,从结构分析的计算数学模型假定到结构的真正受 力状态都能一致地反映这一点。按此设计出来的结 构,其安全度是有保证的，其构件内力分析是较准确的；相反，楼盖形成不了无限刚性 ？比如楼层大
9、开洞 口或凹凸太深太长，即使采用考虑楼板变形的计算程 序进行计算，也很难准确了解和掌握其各竖向构件内 力的大小。这就是为什么结构工程师总是希望建筑师 所构思的建筑方案的楼面为刚性或近似刚性的道理。2侧向刚度均匀连续变化的结构沿高度的变形 不产生突变侧向刚度均匀连续变化的高层建筑，其整体变形曲线是光滑的，在任何楼层处都不会产生位移突变，因而也就形成不了薄弱部位，这样的结构即使在遭受罕 遇地震时也不至于倒塌或发生危及人们生命的严重破 坏；相反，侧向刚度突变的高层建筑，在楼层刚度突变处形成薄弱部位，产生应力集中，塑性变形大，易遭受 地震破坏。对有转换层的高层建筑，希望是低位转换而不是高位转换，且要求
10、转换层上下层的抗侧刚度有 一定的连续性而不是突变的，因而规范规定底部12层大空间的剪力墙结构，其转换层上下层的剪切刚度 比 宜接近1,非抗震设计时的不应大于3,抗震设计时的不宜大于2。厚板转换结构在转换层位置上 下层其变形曲线也有突变。因此，一般不欢迎岀现厚板式转换层的结构，就是这个道理。3结构主轴方向的侧向刚度均衡可以抑制结构 的扭转效应主轴方向刚度均衡的结构，两向甚至多方向的动 力特性相近，扭转效应不明显，在地震作用下甚至风力 作用下，主轴平动占上风，结构的变形简单，容易保证 结构安全。设计时要求抗震结构的平面长宽比小，两向的抗侧力构件分布要均匀、 对称、分散、周边,就是基 于此方面的考虑
11、。4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，但岀现平面薄弱部位，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。5改善或减少因结构侧向刚度不足而产生的结 构侧移偏大的有效办法是设置楼层加强层或伸臂内筒 外框架甚至内筒 外框筒高层建筑或超高层 建筑，由于高度大、高宽比较大，结构的侧向位移（包括顶
12、点位移和层间位移）可能不满足规范要求或仅达到 位移限位的下限，为了改善或减小结构的侧向位移（主要是层间位移），有效且经济的方法是在一定楼层高度 处设置结构加强层或伸臂，这是从加强楼层平面刚度 和协调内外筒受力概念岀发来抑制结构侧向位移的巧 妙方法。加强层的最佳位置可由理论计算确定，其理想楼层从建筑使用功能方面考虑最好是设备转换层或 避难层，而这往往与结构最佳位置并不吻合。实际设 计中就需要结构与建筑互相协商，找出双方都能接受的共同点。对高宽比较大的高层建筑顶层屋盖板加厚 并加强配筋在一定程度上也可以抑制结构的侧移。6控制剪力墙的连梁尺寸可以更好地发挥开洞 剪力墙的作用框架 剪力墙结构体系中，由
13、于其中的剪力墙是零 星、分散布置的，所形成的结构整体刚度不太大，为了增强结构整体刚度，使其中的剪力墙成为主要的抗侧 力构件，故规范规定 一、二级抗震墙的洞口连梁跨高 比不宜大于5,且梁截面高度不宜小于400mm ,意即要求连梁的刚度不宜太小；相反，在剪力墙结构体系（包括部分框支抗震墙结构体系）中，由于墙体多且密， 所形成的结构整体刚度往往过大，不仅吸收地震能量大,对结构受力不利，而且会造成结构造价的上涨，因此,规范规定 将一道抗震墙分成长度均匀的若干墙 段，洞口连梁的跨高比宜大于6 ,意即要求连梁的刚度不宜太大。这是有目的地控制剪力墙连梁刚度，将结构整体刚度调整至合适程度并使开洞剪力墙发挥更
14、大作用的显著例子。所谓合适程度,至少应使整体结构的位移限值满足规范的有关要求。7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180mm,混凝土强度等级不宜
15、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。8多、高层建筑采用单独柱基或单柱单桩基础，应沿两个主轴方向设置具有足够刚度的基础系梁单独柱基或单柱单桩基础虽然受周边土（砂）层的侧限约束，但土 （砂）层毕竟存在不均匀性，如有侧向力 作用,其侧向压缩变形比起钢筋混凝土基础来说要大 得多。在房屋基础设计假设中，各个基础之间是不允许岀现相对位移的，在柱端弯矩作用下，对基础的转动 也必须加以严格限制。为了达到上述两个条件以满足 上部结构的嵌固端假设，单独柱基或单柱单桩基础在 其两主轴方向都必须设置刚度（包括竖向刚度和侧向刚度）较大的基础系梁。这是刚度理论贯穿于房屋基 础设计中的典型例子。三、刚度理论在整体结构和构件设计中的体现在结构体系的确定过程以及单一构件的设计中，无时不体现刚度理论在其中所起的指导作用。也只有 在结构设计全过程中紧紧抓住刚度这一重要概念，才能把结构设计做到既保证结构安全且安全度掌握得合 适，同时又达到经济合理的理想境界。而要达到这种 境界,仅依靠结构专业本身或到了最后进入施工图设 计阶段才来运用结构刚度理论是远远不够的。在设计 的初始阶段，包括建筑方案和初步设计阶段
