刚度理论在结构概念设计中的运用

2008年第29卷第6期 刚度理论在结构概念设计中的运用 石 涛，潘东毅，金 昌 (武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070) 摘 要： 在结构的概念设计中，不仅要考虑外部因素一荷栽的影响，更应当注重内部因素．剐度在整个结构设计中的 作用。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刖度来完成的。 关键词： 刚度；概念设计；荷载 Rigidity’sApplicationinCOnceptualDesignoftheStructure SHlTao，PAND0ng-砸，JINCha札g (Schoolofci、，ilEngineeringand触chitecture，wullanU芏liversityofTechnology，wullan430070，C齄嫩) AbstI翟ct：InthestmcturecoIlceptd￡蕊gn，youshotlldnotody∞喊derextemalfactor8一impactofload，it5IDuldbemore emphasisoni“ternalfac幻r8一stif￡ne豁inthe∞kofthestructurald酋ign．Thet1．ar删sSionandstructllralchangescausedby 奴dontheinteImlstructufeareaU血roughthetheiI谴ernal8tructurestiffne踮tocomplete． Keywords：Sti珏ness；conc印tdesign；load 对一个建筑结构来说，建筑物所处的外部环境， 其所受的各种外部荷载是外部因素，而建筑物自身 的刚度和其刚度分布则是其内部因素，其外部因素 是通过内部因素而起作用的，即外因通过内因而引 起结构反应。建筑结构对外部荷载的抵抗、力的平 衡、变形的协调、结构构件产生内力等都是通过结构 的整体刚度、构件自身的线刚度和构件间的相对刚 度来反映和实现的。该文研究的主要内容就是建筑 结构的内部因素_冈g度以及刚度在结构概念设计中 的作用。运用刚度理论对结构和构件进行合理简 化、选择适宜的结构形式、调整结构整体刚度和结构 刚度的分布、合理确定结构构件问的相互作用及其 截面大小、控制结构刚度做到刚柔相济心，。 1刚度概念在设计过程中的体现和应用 1．1结构体系的演变体现了结构对整体刚度的要求 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、抗震等级的提高，结 构体系由纯框架结构，逐步演变出框架一剪力墙、剪 力墙、筒体一框架、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，对结构的整体剐度的 要求就越高。 1．2刚度理论在剪力墙设计过程中的体现 在剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件， 为了保证其刚度，《建筑抗震设计规范》GB50012～ 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》 GB50012～2001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∞1。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。抗震设计的连 梁，其刚度并不是越大越好，剐度大，则弯矩、剪力设 计值大，难以实现强剪弱弯的要求。对于跨高比小 135 万方数据 2008年第29卷第6期 的连梁，提高其延性可采取交叉配筋和菱形配筋等 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，设计成延性耗能连梁。 1．3刚度理论在带加强层的高层建筑结构与连体 结构中的体现 1)对于高层建筑或超高层建筑，当已采用了内 筒一外框架甚至内筒一外框筒等整体刚度较大的结 构体系，若由于高度大、高宽比较大导致结构的侧向 位移包括顶点位移和层间位移不满足规范 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 要求 或仅达到下限，为了改善或减小结构的侧向位移，有 效的方法是在一定楼层高度处设置适宜刚度的水平 伸臂构件，构成带加强层的高层建筑结构，必要时也 可设置周边水平环带构件。如图1所示通过加强楼 层平面刚度协调内外筒的受力，使结构整体刚度得 到提高。 ■一zr．：；· 气。；-二： _-_●____···-H·-√一 ：’ —■■——!：7 。。—j?。一——t’7，《￡。o___。。。一oo‘‘o’‘●_一-●●--●__●___-⋯ 一．一 框架柱 图1带加强层的高层建筑结构 加强层采用水平伸臂构件和周边环带构件的刚 度要适宜，抗震设计时不宜设置刚度很大的“刚性” 加强层，这种加强层虽可减少整体结构的位移，但将 会引起结构的竖向刚度突变，加强层附近结构内力 剧增‘副。 2)连体建筑是借助于两座塔楼之间的部分连 接，使两个单塔楼形成刚度很大的一个整体，可解决 单塔楼高宽比过大，刚度太弱的问题，并创造了一种 新的建筑风格，但由于结构的连体部位局部刚度大 了，会造成结构整体竖向刚度的不均匀，加剧震害， 也并非理想的建筑体型。连体结构各独立部分宜有 相同或相近的体型、平面或刚度，层数和刚度相差悬 殊的建筑不宜采用连体结构。连体结构如图2所 示。 1．4刚度理论在地下室设计中的体现 地下室顶板作为上部结构的嵌固端必须满足2 个刚度条件，一是“地下室结构楼层侧向刚度不宜小 于相邻上部楼层侧向刚度的2倍”，这是对地下室整 体侧向刚度的要求；二是对地下室顶板本身剐度的 要求，要求“顶板不能开设大洞口，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 不宜小于C30等”。《高层建筑混凝土结构技术规 】36 图2连体结构 程》JGJ3—2002在第4．5．5条作了这些规定。地下 室顶板作为上部结构的嵌固端，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H1， 上部结构在地震作用下的结构变形是以地下室顶板 为参照原点的，这也是高层建筑确定计算简图的大 前提，涉及到结构计算 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 结果的可靠性和准确性。 1．5设计中需考虑填充墙对结构刚度的影响 过去在框架及框架剪力墙结构中往往填砌实心 砖墙，有人认为这能使建筑物更坚固，不愿使用新型 轻质墙材，这种认识是错误的。填砌实心粘土砖不 仅增加了建筑物自重，而且对结构刚度产生了较大 影响，在很大程度上会改变结构动力特性。由予结 构抗侧移刚度加大，自振周期减短，从而使作用于整 个建筑上的水平地震力增大哺1。砖填充墙不同于轻 质隔墙，虽然也是非承重构件，但它不是非承力构 件，由于它具有较大的抗侧移刚度，因而在楼房中， 在平面和高度上，就不能随意布置。它的布置与否， 布置的位置及方式，关系到框架的剪力分布以及整 个房屋的安全，在平面上布置不当造成偏心就会导 致建筑在地震时发生扭转振动，在竖向上不连续贯 通也会出现某层或某段框架剪力骤然增大，对整个 结构抗震能力带来不良影响。相反，轻型隔墙重量 轻，本身刚度小，可忽略地震时对主体结构的影响。 《建筑抗震设计规范》GB5001l第13章提出了 关于填充墙的刚度贡献计算方法及构造措施。“对 嵌入抗侧力构件平面内的刚性建筑非结构构件，可 采用周期调整等简化方法计入其刚度影响”，“刚性 非承重墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度 分布上的突变”。《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ3—2002第3．3．17条提出“当非承重墙体为填 充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数 按下列规定取值对于其他结构体系或采用其他非承 重墙时，可根据工程情况确定周期折减系数H】。 框架结构，可取0．6～0．7。框架一剪力墙结构， 可取0．7～O．8。剪力墙结构，可取0．9～1．0。 万方数据 2008年第29卷第6期 填充墙的设置影响结构刚度，应合理布设填充 墙，并考虑其对整体结构刚度的影响。 1．6相对刚度理论在相互作用构件中的体现 楼板的边界支承条件取决于支承件或相邻板与 板的刚度比，当相邻板的刚度较大时板的边界条件 可视为嵌固即刚接，当相邻有楼板时，一般假定为固 端，邻边无楼板边跨或相邻为孔洞的情况而支承梁 刚度又相对较小时，假定为简支边。这都是以支承构 件或相邻构件与板的刚度比值来确定板支座的边界 条件的。如当双向板为整间大楼板，板厚度较大，而 耜邻边为小跨度板，板厚较小，对大楼板来说不宣以 固定端对待，对于小跨度板当然是固定端。 交叉梁系的荷载传递方式取决于2个方向梁的 线刚度的比值，当2个方向梁的跨度相同或相近时， 荷载由2方向梁共同承担，此时为真正的双向交叉 梁系。而当2方向梁的跨度相差悬殊，即线刚度相差 较大，荷载近似单向传递，最终基本由刚度大的梁承 担，形式上是交叉梁系而实质上已成为主次梁系”】。 2 结 语 在工程结构设计中，应按照刚度理论的要求去 选择结构体系，调整平面与竖向分体系的设置，合理 布设结构构件，注重构件之间的相互关系，提高构件 和结构的效用，从而设计出刚度适中的结构。刚柔 相济是结构工程师永恒的追求，也是工程结构设计 的最终目标。 参考文献 [1]吕西林．高层建筑结构[M]．武汉：武汉工业大学出版 社，2001． [2]张元坤，李盛勇．刚度理论在结构设计中的作用和体现 [J]．建筑结构，2003，(2)：6_10． [3]GBsooll一200l，建筑抗震设计规范【S】．北京：中国建 筑工业出版社。2001． [4】 JGJ3—2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．北 京：．中国建筑工业出版社，2002． [5]沈蒲生．混凝土结构设计[M]．北京：高等教育出版社， 2003． 收稿日期：2叩8．09．01． 作者简介：石涛(1983一)，硕士生． E．mail：shi协1毋527@163．啪 ’''’’’l’’’'’’’，●’’'’，'-'’''’，，，’''，，，●l，’，lm’●Il，l●’’’，’，，'’，’，，，'’’I'，，’'，'，’’’’’'，’’’，''’’'’，' 《国外建材科技》更名为《建材世界》启事 本刊讯：为适应市场经济发展需要，促进学校学科发展，经中华人民共和国新闻出版总署 新出报刊[2008]483号文件批复，《国外建材科技》更名为《建材世界》，原刊号：CN42—128l／ TU作废，新编国内统一连续出版物号为CN42—1783／1、U。《建材世界》将于2009年第l期起 出版发行。办刊宗旨及业务范围为：报道国内外材料科学与工程、新型建材及胶凝材料与制品 等方面最新科研成果，学术动态和研究进展，加强学术交流，促进技术转化，服务学科建设和经 济建设。 137 万方数据 刚度理论在结构概念设计中的运用 作者： 石涛， 潘东毅， 金昌， SHI Tao， PAN Dong-yi， JIN Chang 作者单位： 武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉,430070 刊名： 国外建材科技 英文刊名： SCIENCE AND TECHNOLOGY OF OVERSEAS BUILDING MATERIALS 年，卷(期)： 2008,29(6) 参考文献(5条) 1.沈蒲生 混凝土结构设计 2003 2.JGJ 3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程 2002 3.GB 50011-2001.建筑抗震设计规范 2001 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