結構剛度,越大越好?

       剛度表示結構、構件抵抗變形的能力,可以廣義的理解為引起單位變形所需要的力。

       在建筑結構體系設計中,結構設計人員一般會考慮兩種極限狀態:承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。而在實踐中,人們往往會重視第一種而忽視第二種。首先,一旦結構破壞,喪失承載能力或結構失穩、傾覆等都會造成生命財產的重大損失,所以承載能力極限狀態被更多地關注。而結構或構件超過正常使用極限狀態時,一般不會造成人員傷亡和重大經濟損失。應當指出,過大的結構變形問題也會直接影響房屋的正常使用。

      案例:

       肯普體育館Kemper Memorial Arena,1973年建成,是一座有重要意義的建筑,于1976獲得美國建筑學會榮譽獎章。它的總尺寸約110米x99米,由三個巨型的鋼結構空間桁架吊掛屋面。巨型桁架間距47米,跨度99米,之間的二級結構是平面鋼桁架,間距16米。第二級平面桁架之間再布置第三級桁架檁條,間距2.7米,上面再鋪設壓型鋼板組合板作為屋面。結構和建筑屋面共計130kg每平米。體育館的排水孔布置在周邊,1.2萬平米的屋蓋僅有8個127mm的落水管(實際需65個以上),設計的排水能力嚴重不足。

        1976年6月,肯普體育館因豎向剛度不足,4級主次結構加劇了水池化效應,在一場暴風雨中坍塌。在工程界,諸如此類由于結構剛度不足而引發的事故比比皆是。由此可見,剛度對于建筑設計的重要意義。尤其是在地震區的框架結構和剪力墻結構中,結構的剛度一定要達到規范要求,否則,不僅影響建筑的正常使用,而且可能帶來重大的工程事故,造成工程事故隱患或重大的損失。另一方面,隨著科學技術及高層建筑的發展,高強度材料運用,使得結構構件的截面做的更細、更小,因此結構的剛度和變形問題就越來越突出。

1.png結構的剛度是否越大越好?

        當然不是。

      《道德經》有云:“交易之道,剛者易折。惟有至陰至柔,方可縱橫天下。天下柔弱者莫如水,然上善若水。”萬事萬物,皆應剛柔相濟。

        事實證明,結構的變形越小,地震的危害就越小,但是不能得出剛度越大越好的結論。因為確實剛度越大,地震作用越大,材料用量會增加。此外,結構振動和變形的大小不僅和結構剛度有關,還與場地土有關,當結構自振周期與場地土的卓越周期接近時,建筑物的地震反應會加大,無論振動變形還是地震力都會加大。因此,對于建筑設計,不能得出“剛度越大越好”的結論,應該結合具體情況進行綜合判定。

      案例

        美洲銀行大廈位于尼加拉瓜首都馬那瓜,林同炎設計于1963年。高61米,地上18層,地下2層。一開始,預應力混凝土初期,由于設計合理,比混凝土結構輕很多,常被認為偷工減料,大家懷疑它的抗震性能1972年12月23日,尼加拉瓜首都馬拉瓜發生6.5級強烈地震,市中心511個街區成為一片廢墟,而這座18層的美洲銀行大廈巍然不倒,周圍已經是一片廢墟,就在它前面的街道上,地面上下錯動了1/2英寸。但這個18層的大廈的損壞卻限于電梯井壁聯系梁開裂。

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        在對大廈進行抗震設計的時候,林先生并非一味的增加結構的剛度,而是在該強的地方強,該弱的地方弱,甚至故意在某些次要部位進行削弱,以控制破壞形式,來吸收地震能量并減小結構對地震的反應。

       美洲銀行大廈的設計有著剛柔相濟的特點。剛:通過密柱深梁的框筒和內部剪力墻形成的筒來抵抗水平力,形成筒中筒結構體系。柔:剪力墻之間的連梁在地震過程中開裂,耗能,降低結構剛度,減小地震作用,從而形成多道設防。

        這種以建筑物次要構件開裂的損失來避免整個建筑物倒塌的設計思想就突破了一般常規思維的框架,突破了以剛對剛的正面思維模式,從而創造了世界建筑史上少有的奇跡。

 






      結構剛度,越大越好?的圖4

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