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1、论文3：刚度理论在结构概念设计与结构选型中的应用日期：2007-2-7 编辑：网站管理员刚度理论在结构概念设计与结构选型中的应用提 要: 本文从结构刚度角度指出了结构概念设计的重要性,提出了结构选型的原则与方法,列出了刚度理论在三种主要的结构型式(框架结构,剪力墙结构,框架剪力墙结构)中的应用.关键词: 刚度,概念设计,结构选型,框架,剪力墙,框架剪力墙结构概念设计是指不经复杂的数值计算，依据整体结构体系和结构子体系之间的力学关系、相对刚度关系、结构破坏机理、实验现象和工程经验所获得的结构设计原则和设计思想,从整体角度来确定建筑结构的总体布置和结构措施。结构概念设计的目的是力求使设计方案经济、
2、合理，是一个结构工程师根据专业理论知识和工程实践经验，结合简单估算对一个结构工程进行整体优化的过程。概念设计做得好，能使结构尽量满足设计条件，并以最简捷的路径将荷载传至地基，满足建筑物的使用功能并节约材料和资金。结构中的力的平衡，变形协调及由此产生的构件内力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）及连接件之间的相对刚度的大小来实现的，外力在结构内部的作用、传递及所引起的结构变形都是通过属于结构内部因素的刚度来完成的。在结构的概念设计阶段，以结构刚度为主线，体现刚度理论的重要作用，使结构设计做到保证安全,并且安全度合适，同时又达到经济合理的理想境界。在此阶
3、段结构优化的重要内容就是结构体系的结构整体刚度的确定。1.结构体系的演变和刚度大小的比较对一般的工程结构，以钢筋混凝土结构为例，随着建筑高度的不断增加或抗风、抗震级别的提高，结构体系由纯框架结构，逐步演变出框架剪力墙、剪力墙、筒体框架、筒中筒、束筒结构等，也就是随着结构层数越来越多，高度越来越高，承受的风荷载越来越大，地震反应也越强烈，对结构的整体刚度的要求就越高，因此就产生了整体刚度越来越大的结构体系，以适应建筑物高度的增多和层数的增加。1.1从柱体系到排架结构体系框架结构体系墙体系筒体结构体系，整体刚度是不断增大的。从柱体系到排架结构体系、框架结构体系、墙体系、筒体结构体系，整体刚度是不断
4、增大的。筒体结构的抗弯刚度大大地大于框架结构和一般的墙体结构，因而结构工程师应根据不同的刚度要求选择合适的结构体系。当要求的刚度很大时,筒体结构体系是最好的选择。1.2 结构体系的发展过程也是结构刚度不断改善的过程结构形式，材料，组成和结构体系的不断发展和创新，是围绕着结构刚度的不断改善展开的。最初应用在结构中的都是片状结构，它们在本身平面内的刚度很大，但是平面外的刚度却很小，空间结构是对结构的内在力学性能深入认识的基础上，利用剪力墙围成实腹筒后翼缘受力的原理，挖掘了结构平面外的潜力，形成了较大的刚度。在剪力墙围成的筒上开设洞口可形成密柱深梁的框筒结构。实腹筒和框筒都是空间结构，它们充分利用材
5、料强度，减少了结构构件的数量，增大了可利用空间，增大了结构抗侧力能力和抗扭刚度，提高了结构效率。大跨度的屋架和桥梁是利用桁架最多的结构，把桁架竖立来可以同样有效地抵抗水平荷载，钢结构中的支撑框架由此发展成桁架筒。利用空间结构的性能，将抗侧力结构布置在结构的周边，能加大结构抵抗倾覆的能力。设计刚度很大的巨型结构，可在不规则的建筑布置中建立规则的结构体系。1.3 各种结构体系均有其适用范围和适宜高度由于抗推刚度不同和承载力不同，前述的各种结构体系的适用范围和适宜高度是不同的。表1 列出了各种结构体系的一般适宜高度范围.GB50011-2001，JGJ3-2002，JGJ99-1998中都分别给出了
6、我国常用的各种钢筋混凝土结构，钢结构和混合结构体系的适用最大高度，其中的规定与表 1中略有不同，因为规范规程规定的适用高度范围是指:规范规程各项规定适用的高度范围。表1 体系（钢筋混凝土结构）适宜高度范围 体系名称框架框架-剪力墙剪力墙框架-核心筒框架-核心筒-神臂筒中筒束筒巨型框架典型平面典型立面适宜范围多层20层60m820层80m1040层120m3050层200m50100层400m50100层400m50110层450m30150层500m适宜高宽比4566878102. 增加框架结构体系刚度的方法框架结构体系由框架梁、柱、楼板等主要构件组成，柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间，适
7、用于需要大空间的层数不太多的房屋。框架结构构件类型少，设计计算施工都比较简单，是多层和高层建筑抗侧力体系最基本的组成部分。框架应当纵横双向布置，形成双向抗侧力体系，框架结构在水平力作用下侧向变形特征为剪切型。框架结构的抗推刚度较小，用于比较高的建筑时，需要截面较大的梁柱构件才能满足变形限值的要求。钢筋混凝土框架的大截面构件减小了有效使用空间，使其使用范围受到了限制。我国规范规定了钢筋混凝土框架结构的适用高度。以下以两柱平面框架为例，讨论提高框架结构刚度思路。如图1（a），表示悬臂支承在基础上的两根柱子，独立作用，显而易见，柱在水平荷载作用下的抗弯能力很小，位移为1，通过加设铰接水平构件可以得到
8、改善，如图8（b）所示，铰接水平构件无法约束柱顶变形，也无法提高悬臂柱的抗弯刚度，所以21，当然加大柱截面可以减小柱顶位移，但并非好办法。如果用水平构件与柱顶刚接连接，这样水平构件与柱可以相互约束转动，使柱子产生反弯曲，从而改善整个结构的刚度，这就由排架转化为框架，如图1（c）。图1：水平荷载作用的两柱平面结构对框架而言，若柱底完全固接，而梁的刚度又足以约束柱顶的全部转动，则柱的反弯点在1/2柱高处，此时为完全框架作用。如图2示，柱只承受全部弯矩的一半，即0.5M2Hh/4，另一半水平荷载引起的弯矩则由柱子的轴向力承担，即VdHh/2，弯曲变形与ML2成正比，由于反弯点在柱中，则柱高Lh，M，
9、柱顶变形32（）（），即31，实际工程中当梁与柱的相对刚度比大于或等于4时，可认为是完全框架作用。在真正的框架中，框架的作用程度主要由梁柱刚度比决定，如果单柱刚度比梁刚度大，则大部倾覆力矩将由每个柱的抗弯作用承担。如果梁刚度更大些，则柱内弯矩，要减小，而成对的轴力将分担很大一部分倾覆力矩，这样抗弯作用将由独立柱受弯转为整个框架受弯，独立柱的抗弯力臂很小，而成对柱形成的框架力臂则是很大的，这就要求柱子之间的梁的刚度要足够大。图2：完全框架作用当梁与柱的刚度比减小时，柱顶将有很大的转动，当梁柱刚度比为1：1时，反弯点大约在柱高的3/4处，框架作用程度是完全框架作用的1/2。作为近似估算，当梁柱刚度
10、比小于1：1时，可假设只存在框架作用了。对简单的双列柱框架，可采用四种方法改善双列柱框架结构体系的整体刚度，从而提高承载力：其一，在双列柱框架内加设内柱； 其二，增大双列柱截面高度；其三，设置更刚的水平梁； 其四，加设更多的水平梁，形成多层框架。采取第一种方法有下述两个好处：由于成对柱之间距离减小，梁的线刚度增大，加强了整体框架作用；每个柱承受的水平荷载减小，弯矩也减小，因此总变形减小。采用第二种方法可使整体框架刚度加大，但经济性不一定合理，对于采用第四种方法作如下分析：如图2所示，在集中水平荷载作用下的完全框架结构，若为单层图3（a），顶部位移1，如果我们在该框架中再加两层铰接梁图3（b）；
11、该新框架的整体刚度丝毫没有改善，顶部变形仍然1，若将这两层横梁与柱的铰接节点改成刚性节点图3（c），则形成新的三层框架，刚度的提高程度与每个短柱的框架单元的变位大小成正比（1/n3，n为层数），这样对n层框架的相对总变位将是n（1/n3），对三层而言，相对总变位将是，也就是说该三层框架的整体刚度将是相应单层框架的9倍。图3：框架层数与刚度（a）基本工况（n=1） （b）增加铰接横梁（n=3） （c）增加刚接横梁，每层均为完全框架作用（n=3）通过上述分析可以看出，单纯的加大框架梁、柱截面，即提高EI或增加更多的柱子、梁，都可以提高框架的整体刚度，但不一定能提高其效能，然而有可能综合上述方法得一
12、个有利的分层分跨后的框架，并采用适宜的梁柱刚度比，既可以增加框架结构的刚度，又提高其效能，这才是结构工程设计的目的。如图 4所示,通过组合等综合方法,可改进基本框架的刚度。情况（a）和（b）不具备高效能 组合是有效的如果开孔50% 局部刚度将很大图4：通过综合方法改进基本框架的刚度和效能 实际上，在框架结构的民用建筑中，几乎没有粮柱线刚度比能达到34的，除了在跨度很大(L24M)的单向密肋楼(屋)盖的边支承框架梁柱线刚度比能达到23外，其它一般都不会超过1.52.0。3. 剪力墙结构刚度的调整与控制剪力墙结构体系承受的竖向荷载及水平荷载都比较大，因其侧向刚度大，则水平力作用下侧移小，并且由于没
13、有梁、柱等外露与凸出，便于房间内布置，因此在高层住宅建筑中有广泛应用。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。钢筋混凝土剪力墙中，剪力墙的间距小，一般为38米，平面布置不灵活，建筑空间受到限制是它的主要缺点，因此它只适用于住宅、旅馆等建筑。剪力墙结构施工方便，适用高度范围大(多层高层均适用)，但由于自重大，刚度大，使剪力墙结构的基本周期短，地震惯性力较大，因此高度很大的剪力墙结构并不经济。3.1 通过剪力墙平面的布置调整与控制剪力强结构的刚度以下述简单模型来说明剪力墙的布置方式决定了剪力墙结构的刚度，从而得到调整与控制剪力墙结构体系刚度的思路和方法。如图5所示。图5：剪力墙的平面布置图
14、5（a）墙体在X方向没有刚度，5（b）中抵抗中心与力作用中不重合，抗扭刚度很低，所以5（a）和5（b）的剪力墙对抵抗水平力不利。5（d）中，X方向的作用力会产生扭矩，但Y方向的二片成对的剪力墙可抗扭。5（e）中，剪力墙形成筒体，这种形式能很好地抵抗任何方向的水平作用力。5（f）中剪力墙不仅有利于抵抗任何方向的水平作用力和扭转，它还对控制建筑物角部的温度影响有利。图5（g）相互垂直的剪力墙可以抵抗剪力，但抗扭能力低。所以图5中，13（c）、13（e）、13（f）是相对较好的布置形式。由此可以得出剪力墙结构中剪力墙的布置原则为“周边、对称、成对、封闭”等,按这样的原则去布置剪力墙可以得到较大的刚度
15、。3.2 控制剪力墙连梁尺寸，调整结构刚度框架剪力墙结构中的剪力墙一般是零星分散布置的，所形成的结构刚度并不很大，为了使剪力墙成为主要的抗侧力构件，建筑抗震设计规范GB50011-2001第6.1.8条规定“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400”，这是要求连梁的刚度不宜太小。相反，在剪力墙结构中，由于墙体多而密，所形成的结构整体刚度往往过大，吸引的地震力大，因此，建筑抗震设计规范GB50011-2001第6.1.9条规定较长的抗震墙宜开设洞口，将一道抗震墙分成长度较均匀的若干墙段，洞口连梁的跨高比宜大于6，各墙段的高宽比不应小于2，这是要求连梁刚度不宜太大。规范的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合适程度，更好地发挥开洞剪力墙的作用。3.3 采用带缝剪力墙带缝剪力墙是指在混凝土墙中做出竖缝一段矮而长的刚度
