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上海钢结构公司带你看结构侧向刚度的短板效应

时间:2020-05-28 来源:

大家都知道,提高悬臂构件的抗弯刚度,加大截面高度是最有效的。提高桁架的侧向刚度,增加桁架高度也是很有效的。

对剪力墙结构,如何提高墙体的侧向刚度呢?


一般的看法,如能使两端剪力墙抗弯力臂增大,也即下图中的a增大,则剪力墙体系的抗侧刚度更大。但实际计算时,我们可能发现两段墙距离越近,结构的刚度却越大。

平面两段剪力墙的刚度,主要不取决于墙肢本身的刚度大小。因为变形是个合成体,有着短板效应的特征。墙肢长度不算太短时,比如达到8倍墙厚或以上时,这个体系的抗侧“短板”是连梁的弯曲变形。


I是连梁的惯性矩,矩形截面梁为bXh时,顶点侧移可以表示为

当连梁的刚度足够大时,增大墙肢的间距a,可以线性地减小侧移。但如果只是增大a,连梁截面不变,则增大a的同时L也在增大,反过来△又 以平方速度增大,可能得不偿失。



正如某篇文献所言,“单肢墙的抗弯刚度由翼缘和腹板墙共同组成,主要受墙肢长度的影响;连肢墙的抗弯刚度主要受连梁跨高比的影响,跨高比越小墙肢整体刚度越大。”


如果连梁的高度较小,双肢墙的变形主要集中于梁的弯曲变形,反应到整体就是剪切变形;而如果连梁的高度较大,变形则表现为整体结构的弯曲变形。

根据上述剪力墙与连梁对结构整体侧向刚度的影响分析,我们可以将这个思路继续扩展。


在超高层结构设计中,尤其是高宽比较大的结构(参考阅读《不可轻视的结构高宽比》),侧向刚度的控制因素主要有两个方面,一个是竖向构件本身的刚度(包括轴向刚度和抗弯刚度),另一个就是竖向构件之间水平构件的刚度。


如果整体侧向刚度不足,对应有两种解决办法,其一是加大竖向构件截面,提高竖向构件侧向刚度;其二是提高竖向构件之间的连接刚度,常用的方法是在避难层增加腰桁架或伸臂桁架。



究竟该采用哪种方法呢?其实就是要分析整体侧向刚度的短板在哪里。补足短板才是效率最高的做法。

以上讨论的,都是类似空腹桁架抵抗水平力的结构模型。


如果采用空腹桁架抵抗竖向力,概念相近,但要转个90°。我们可以想象一个悬挑空腹桁架,1.3D+1.5L起控制作用,此时,上下弦杆类似剪力墙,而竖腹杆则类似于连梁。竖腹杆需要平衡上下弦拉压力形成的剪力,就像连梁需要克服巨大的剪力。


对空腹桁架来说,很多情况下,竖腹杆的抗剪承载力就是整体结构的短板。


你看,结构侧向刚度,虽然是一个整体的概念,但它有着明显的短板效应。


除了侧向刚度,结构设计中处处体现着短板效应,比如桩基承载力、抗拔承载力,筏板、承台厚度等,大家不妨细细体会。

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