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结构的刚度是否越大越好?

文章出处:悍马加固材料人气:-发表时间:2018-03-07 18:31【

在回答之前,小悍先问大家一个问题:何为刚度?

刚度表示结构、构件抵抗变形的能力,可以广义的理解为引起单位变形所需要的力。如果大家想详细具体的了解可以参考小悍之前写过的一篇文章《结构刚度概念解析》

在建筑结构体系设计中,结构设计人员一般会考虑两种极限状态:承载能力极限状态和正常使用极限状态。

而在实践中,人们往往会重视第一种而忽视第二种。首先,一旦结构破坏,丧失承载能力或结构失稳、倾覆等都会造成生命财产的重大损失,所以承载能力极限状态被更多地关注。而结构或构件超过正常使用极限状态时,一般不会造成人员伤亡和重大经济损失。应当指出,过大的结构变形问题也会直接影响房屋的正常使用。

房屋的正常使用

我们来看一个案例:

肯普体育馆坍塌

肯普体育馆Kemper Memorial Arena,1973年建成,是一座有重要意义的建筑,于1976获得美国建筑学会荣誉奖章。它的总尺寸约110米x99米,由三个巨型的钢结构空间桁架吊挂屋面。巨型桁架间距47米,跨度99米,之间的二级结构是平面钢桁架,间距16米。第二级平面桁架之间再布置第三级桁架檩条,间距2.7米,上面再铺设压型钢板组合板作为屋面。结构和建筑屋面共计130kg每平米。

体育馆的排水孔布置在周边,1.2万平米的屋盖仅有8个127mm的落水管(实际需65个以上),设计的排水能力严重不足。

屋盖结构布置

屋盖结构布置

1976年6月,肯普体育馆因竖向刚度不足,4级主次结构加剧了水池化效应,在一场暴风雨中坍塌。

在工程界,诸如此类由于结构刚度不足而引发的事故比比皆是。由此可见,刚度对于建筑设计的重要意义。尤其是在地震区的框架结构和剪力墙结构中,结构的刚度一定要达到规范要求,否则,不仅影响建筑的正常使用,而且可能带来重大的工程事故,造成工程事故隐患或重大的损失。

另一方面,随着科学技术及高层建筑的发展,高强度材料运用,使得结构构件的截面做的更细、更小,因此结构的刚度和变形问题就越来越突出。

结构的刚度是否越大越好?

好了,回过头来我们再回答最开始的问题:结构的刚度是否越大越好?

当然不是。

《道德经》有云:“交易之道,刚者易折。惟有至阴至柔,方可纵横天下。天下柔弱者莫如水,然上善若水。”

万事万物,皆应刚柔相济。

事实证明,结构的变形越小,地震的危害就越小,但是不能得出刚度越大越好的结论。因为确实刚度越大,地震作用越大,材料用量会增加。

此外,结构振动和变形的大小不仅和结构刚度有关,还与场地土有关,当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时,建筑物的地震反应会加大,无论振动变形还是地震力都会加大。因此,对于建筑设计,不能得出“刚度越大越好”的结论,应该结合具体情况进行综合判定。

典型案例 马拉瓜美洲银行大厦

美洲银行大厦位于尼加拉瓜首都马那瓜,林同炎设计于1963年。高61米,地上18层,地下2层。一开始,预应力混凝土初期,由于设计合理,比混凝土结构轻很多,常被认为偷工减料,大家怀疑它的抗震性能。

1972年12月23日,尼加拉瓜首都马拉瓜发生6.5级强烈地震,市中心511个街区成为一片废墟,而这座18层的美洲银行大厦巍然不倒,周围已经是一片废墟,就在它前面的街道上,地面上下错动了1/2英寸。但这个18层的大厦的损坏却限于电梯井壁联系梁开裂。

地震前

地震前

地震后

地震后

在对大厦进行抗震设计的时候,林先生并非一味的增加结构的刚度,而是在该强的地方强,该弱的地方弱,甚至故意在某些次要部位进行削弱,以控制破坏形式,来吸收地震能量并减小结构对地震的反应。

美洲银行大厦的设计有着刚柔相济的特点。刚:通过密柱深梁的框筒和内部剪力墙形成的筒来抵抗水平力,形成筒中筒结构体系。柔:剪力墙之间的连梁在地震过程中开裂,耗能,降低结构刚度,减小地震作用,从而形成多道设防。

这种以建筑物次要构件开裂的损失来避免整个建筑物倒塌的设计思想就突破了一般常规思维的框架,突破了以刚对刚的正面思维模式,从而创造了世界建筑史上少有的奇迹。


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