刚度理论在结构概念设计与结构选型中的应用.doc

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列出了各种结构体系的一般适宜高度范围建筑抗震设计规范高层建筑混凝土结构技术规程高层民用建筑钢结构技术规程中都分别给出了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层层层层层层层层适宜高宽比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通过加设铰接水平构件可以得到改善如图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图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柱高处此时为完全框架作用如图示柱只承受全部弯矩的一半即另一半水平荷载引起的弯矩则由柱子的轴向力承担即弯曲变形与成正比由于反弯点在柱中则柱高柱顶变形即实际工程中当梁与柱的相对刚度比大于或等于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时反弯点大约在柱高的处框架作用程度是完全框架作用的作为近似估算当梁柱刚度比小于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所示在集中水平荷载作用下的完全框架结构若为单层图顶部位移如果我们在该框架中再加两层铰接梁图该新框架的整体刚度丝毫没有改善顶部变形仍然若将这两层横梁与柱的铰接节点改成刚性节点图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为层数这样对层框架的相对总变位将是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倍图框架层数与刚度基本工况增加铰接横梁增加刚接横梁每层均为完全框架作用通过上述分析可以看出单纯的加大框架梁柱截面即提高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所示通过组合等综合方法可改进基本框架的刚度情况和不具备高效能组合是有效的如果开孔局部刚度将很大图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的除了在跨度很大的单向密肋楼屋盖的边支承框架梁柱线刚度比能达到外其它一般都不会超过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所示图剪力墙的平面布置图墙体在方向没有刚度中抵抗中心与力作用中不重合抗扭刚度很低所以和的剪力墙对抵抗水平力不利中方向的作用力会产生扭矩但方向的二片成对的剪力墙可抗扭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相互垂直的剪力墙可以抵抗剪力但抗扭能力低所以图中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第条规定一二级抗震墙的洞口连梁跨高比不宜大于且梁截面高度不宜小于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第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各墙段的高宽比不应小于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较大的实心墙变成两段或几段细而高的柔性墙整个建筑物的刚度大幅度下降从而减小地震力在强烈地震时预期的破坏将发生在竖缝之间结构允许的房屋变形比实心墙大可以承受较大地震力而不出现脆性破坏带缝剪力墙的思路是日本的武藤清教授较早提出来的组合剪力墙结构组合剪力墙结构是指在钢筋混凝土柱之间砌筑实心砖砌体并采取一定的构造措施形成刚度大较大的组合墙体淄博市建筑设计研究院等单位曾在八九十年代进行了理论与试验研究并在实际工程中采用了组合剪力墙结构体系淄博市先后建成了淄博新闻大厦公路段综合楼等几个组合剪力墙结构工程组合剪力墙结构涉及两种材料的共同工作和变形协调等问题对它们的强度和性能的了解还不十分清楚缺少试验研究震害的资料也欠缺按现在的设计要求来看是属于超规范设计配筋小型空心砌块砌体剪力墙配筋小型空心砌块剪力墙指在小型空心砌块墙内布设一定配筋率的竖向和水平向分布筋并按要求灌芯形成的砌体剪力墙它能承受拉压弯剪尤其是增强了砌体的抗弯能力国外研究工程实践和震害表明配筋混凝土小型空心砌块剪力墙具有强度高刚度大延性好抗震性能好的优点是预制装配整体式的混凝土剪力墙其受力性能和现浇混凝土剪力墙相似并且有一定的施工和经济优势现行的建筑抗震设计规范在附录中介绍了配筋混凝土小型空心砌块抗震墙房屋抗震设计要求这种剪力墙在工程中推广应用具有很重要的意义有些专家推荐把配筋小型空心砌块剪力墙结构作为小高层住宅房屋的结构体系的首选但受各种因素制约该种结构体系仅在上海和东北有少量工程试用框架剪力墙结构刚度的调整与控制由于框架结构的主要优点是能获得大空间房屋房间布置灵活而主要缺点是侧向刚度小侧移较大而剪力墙结构侧向刚度大可减小侧移但全剪力墙结构无法布置大空间房屋框架剪力墙体系恰好是对两者取长补短既能布置大空间房屋与小空间房屋布置灵活又具有较大的侧向刚度对于地震区建筑来说框架剪力墙结构具有两道抗震防线即剪力墙与框架框架剪力墙结构在水平力作用下侧向变形特征为弯剪型框架剪力墙结构中剪力墙的布置和数量影响或决定了结构刚度在框架剪力墙结构中剪力墙的截面尺寸数量位置和形状等对结构刚度的影响举足轻重刚度理论在其中体现的十分突出早期有些结构工程师用单位建筑面积中剪力墙的截面积即墙率来确定墙的合理数量并导出各种各样的简化公式总的思路都是从刚度角度出发以刚度为计算参数来探索剪力墙的合理数量的规律所谓合理数量一是指剪力墙不能太少少到不足以抵抗风力或地震作用是结构设计所不允许的二是剪力墙不宜太多即结构刚度不宜太大刚度大则地震力相应增大对抗震反而不利而且会造成造价上升是属于不合理的结构设计目前我国国内设计的主要设计倾向是剪力墙太多刚度太大剪力墙是否恰当还可以通过计算剪力墙分配到的总剪力的多少来检验分配到总剪力的之间较好剪力墙分配到的剪力过大超过框架需要调整的内力就多说明框架太弱剪力墙的剪力分配比例过小则框架部分的延性要求要提高会导致用钢量的增加框架剪力墙结构中剪力墙的布置部位和要求可参照表表框架剪力墙结构中剪力墙的布置部位和要求布置部位目的优点建筑物周边附近既发挥抗扭作用又减小位于周边而受室外温度变化的不利影响在楼点梯间平面形状变化处凹凸不较大处弥补平面薄弱部位把纵横墙连成形发挥剪力墙自身刚度单片墙承担的地震剪力不宜超过结构底部总水平剪力的避免该墙对刚心位置影响过大且一旦破坏对整体结构不利其基础承担过大的水平力框架剪力墙结构的连接节点应采用刚接目的是保证整体结构的几何不变和刚度的发挥同时较多的赘余约束对结构在大震下的稳定性是有利的当然个别节点由于特殊需要也可采用梁端与柱或剪力墙铰接的形式但要注意保证结构的几何不变性同时结构整体分析计算简图要与之相符框架剪力墙结构中反映框架与剪力墙相对刚度的指标是结构刚度特征值式中为框架的等效刚度为剪力墙的等效刚度建筑的侧向变形形状与有关称为框架剪力墙结构的刚度特征值它的物理意义是总框架抗推刚度与总剪力墙抗弯刚度的相对大小当很小时如框架的刚度相对于剪力墙很小变形曲线的形状为弯曲型当较大时即框架的刚度与剪力墙的刚度比较大时变形曲线为剪切型当时随着的增大剪力墙与框架的刚度比相对越来越小框架承担的地震力就多了结构的变形曲线就越接近结框架的变形曲线经过比较不考虑布置的因素刚度特征值大约在的范围内剪力墙数量比较合适设计框架剪力墙结构房屋还应注意的三个问题框架剪力墙结构中柱墙总的刚度比大小决定了对框架受力的考虑当框架结构中仅在楼电梯间或其他部位布置少量钢筋混凝土剪力墙时结构分析应考虑该剪力墙与框架的协同工作此时应采取措施减小此种剪力墙的作用增加与剪力墙相连柱的配筋这些措施包括将此种剪力墙减薄开竖缝开结构配置少量单排钢筋等此时结构形式按框架结构确定按框架结构体系的要求进行结构设计当剪力墙布置较少刚度偏小时在基本振型地震作用下其框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的框架是主要的抗侧力构件必须保证其各方面的承载能力规范规程要求其框架部分的抗震等级按框架结构确定柱轴压比限值宜按框架结构的规定采用最大适用高度和高宽比限值可比框架结构适当放松放松的幅度可视剪力墙的数量及剪力墙承受的地震倾覆力矩来确定如淄博高新区博士楼工程框架部分按纯框架结构确定抗震等级为二级当框架剪力墙结构布置足够的剪力墙时即在基本振型地震作用下框架承受的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的时其框架框架部分则属于次要抗侧力构件框架部分的抗震等级按框架剪力墙结构的规定来划分框架承受的地震倾覆力矩按下式计算式中框架剪力墙结构在基本震型地震作用下框架部分承受的地震倾覆力矩不考虑框架梁对剪力墙的约束作用结构层数框架各层的柱根数第层的某一根框架柱的计算地震剪力第层的层高当剪力墙布置较多刚度过大而使框架受力过小时需把框架部分予以加强高层建筑混凝土结构技术规程规定任一层框架部分的地震剪力不应小于结构底部总地震剪力的和结构整体分析中框架部分各楼层地震力最大值的倍二者较小值此时框架是第二道抗震防线为了不使框架部分过早出现塑性铰必须给予它一定的抗震能力即框架总剪力结语在工程结构概念设计和结构选型工作中运用刚度理论可对结构和构件进行宏观控制具有概念清晰定性且定量准确有效方便简捷的特点结构设计的许多基本概念以及结构设计规范的一些原始精神都是围绕着刚度这一结构的本质展开的参考文献林同炎斯多台斯伯利结构概念和体系第二版中国建筑工业出版社罗福午建筑结构概念体系与估算清华大学出版社郑琪基本概念体系建筑结构基础中国建筑工业出版社龙驭球包世华结构力学高等教育出版社注主要作者徐传亮光军李明义获市建委结构专业征文一等奖