刚度理论在结构概念设计与结构选型中的应用

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1、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

2、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

3、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，整体刚度是不断增大的。筒体结构的抗弯

4、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，它们充分利用材料

5、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.<<建筑抗震设计规范>>GB50011-2001，<<高层建筑混

6、凝土结构技术规程>>JGJ3-2002，<<高层民用建筑钢结构技术规程>>JGJ99-1998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名称 典型平面  典型立面  适宜范围 多层～20层60m8～20层80m10～40层120m30～50层200m50～100层400m50～100层400m50～110层450m30～150层

7、500m适宜高宽比≤4≤5≤6≤6≤8≤7≤8≤10 2.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