2.3 刚度理论在概念设计中的运用

在结构设计过程中，结构布置包括竖向和水平体系布置。设计人员比较注重楼屋面竖向荷载的概念，而往往忽视结构或构件抵抗外力的变形能力、反映结构构件内在联系、影响构件内力及变形相互关系的“刚度”概念。事实上，结构中力的平衡变形、协调及由此产生的构件内力都是通过构件自身的线刚度及连接构件之间的相对刚度的大小来体现的。换言之，作用于结构的荷载如风压、地震作用及建筑物的自重等在结构内部的作用传递及所引起的结构反应均通过结构的刚度来完成。

合理的建筑结构体系应该是刚柔相济，结构布置过刚则变形能力差，地震作用瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部或整体破坏。而过柔的结构虽然可以很好地消减外力，但容易造成过大变形而无法使用，甚至整体倾覆破坏。结构刚和柔的最佳平衡点是设计人员一生的追求。要学会刚柔相济，以柔克刚。实际工程设计中往往由于多种因素，并不是想刚就能刚，想柔便能柔的。每种工程建筑方案不同，结构使用的材料不同，工程所处的环境不同，所受的外力（风荷载、雪荷载、温度作用、偶然荷载和地震作用等）更难统一定性。所以每个设计人员要多思考、多体会、多运用刚柔相济理论，从结构概念的角度去做好结构设计。例如林同炎教授于1963年设计的高61m、18层的马那瓜美洲银行 ^［20］ ，在相当于里氏6.3～6.5级地震中仅受到了很小的破坏，连梁剪切破坏，混凝土保护层剥落、开裂，经简单修复即可继续使用，成为刚柔结合，多道防线的概念设计思想在工程中成功应用的典型范例。该工程由4个4.6m等边的L形柔性筒，通过每层的连梁组成一个11.6m×11.6m的正方形核心筒作为主要的抗震结构（图2.1）。在风荷载和地震作用下具有很大的抗弯刚度，为了预防未知的罕遇强烈地震，在连梁的中部开了较大的孔洞，一方面用来穿越通风管道，减少楼层的结构高度；另一方面形成该结构总体系（第一道防线）中的预定薄弱环节，在未来遭遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能力的结构体系（第二道防线），即各分体系（L形柔性筒）作为独立的抗震单元，则整体结构变柔，自振周期变长，阻尼增加，地震动力反应由此大大地减小，从而可以继续保持结构的稳定性和良好的受力性能。即使在超出弹性极限的情况下，仍具有塑性强度，可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。为确保每一个L形柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元，在L形筒的每面墙内的配筋几乎都是一样的（图2.2）。

与之相邻的15层的中央银行大厦在地震中却破坏严重，各层楼板均沿电梯井边开裂，4层以上柱子均出现裂缝，窗上、下及端部填充墙都遭到破坏，致使地震后局部拆除。中央银行大厦为单跨框架结构，如图2.3所示，有1层地下室。3层以上柱距1.4m，3层以下柱距扩大为9.8m，用深梁转换。由平面布置图可知，楼梯间和电梯井的剪力墙都布置在平面的一端，该侧的山墙窗洞全部用砌体填充封闭，造成结构一端刚度大，另一端刚度小。剪力墙布置严重不对称，造成结构较大偏心（刚心与质心距离较大），引起结构较大扭转。