抗震设计——刚度越大越不好

小甲是一名刚刚入行的土建设计工程师,刚刚落座工位,看到今早媒体推送的“房山2.8级地震”这一新闻标题,考虑到自己从事的工作中抗震设计的相关问题,陷入思考,自言自语道:


刚度大抗震效果是不是越好?


抗震不是一味的跟地震作用力对抗,善于分散、减弱、疏导地震力,通过隔震、留缝、轻质高强材料来解决是上等之策。”同期的小乙马上反驳。看到小甲目光转向自己,小乙继续说道:“再说,光用混凝土就能抗震?不需要考虑钢筋的合理配筋?


“刚度越大,地震作用越大。这句话很多人都听过。可是,这个时候很多新手就经常得出一个悖论。刚度越大,地震作用用大,岂不是房子刚度越大越不利?岂不是刚度大的剪力墙结构还不如刚度小的框架结构?这个其实就是一个错误的认知!



假设 在7度设防下 ,用了同样多的材料两个相同体系剪力墙结构。一个刚度大算出来的位移角是小震下1/1500.一个刚度小的小震下1/1050。刚度大的 材料都用在剪力墙上了,所以刚度大。刚度小的,做了很多开洞剪力墙。做了很多耗能的连梁


假设遇到小震,由于他们都满足规范的1/1000,所以多遇地震他们都木有任何问题。第一局,平局;


假设遇到中震,由于刚度大没有耗能材料,主要靠剪力墙来抗。所以中震下底部剪力墙会有损伤。刚度小的连梁为第一道防线,连梁先破坏,守住第一道防线。而由于连梁破坏后,刚度进一步变小,地震作用减小。剪力墙损伤会很小。所以中震下,一个是连梁坏的多,一个是剪力墙坏的多。这样的情况下,连梁坏的多修修补补,原结构还能用。而底部剪力墙受伤的,那就得慎重了。因为剪力墙不仅仅是抗水平力还承担上部荷载。如果承载力不足以承担上部荷载,那就是危房了。所以此时有耗能材料的刚度小的获胜。


假设遇到大震,刚度大的还是剪力墙先损伤,然后就倒了。而刚度小的是连梁先损伤,其次剪力墙损伤。然后也倒了。但是刚度大的没有二到防线,坚持了三分钟,而有二道防线的刚度小的坚持了五分钟。但是大震下,所以刚度小的跑出来的人多。所以第三局,刚度小的胜。所以得出的结论是,刚度大的不好。但是有个前提是,那就是用了同等多的材料,相同结构体系!!!!而且刚度小的必须用在了耗能上。才是刚度越大越不好。


如果换种比法。  刚度小的算出来小震位移角1/1050    刚度大的小震下 位移角  1/9999.此时刚度的材料用量远大于刚度小的。会出现什么情况?  那就会出现。小震下,大家都没坏;中震下, 刚度小的有损伤。刚度大 没损伤;大震下, 刚度小的撑了5分钟倒了,刚度大的损伤很小没有倒。这就是为什么剪力墙结构优于框架结构的原因,所以框架结构的延性很好。但是然并卵。因为他刚度太差了。此时还能说刚度大的不好么?只能说,在用相同多的材料。在一定刚度范围内,相同结构体系的,有耗能材料的刚度小的优于没有耗能材料刚度大的。或者换句话说,在一定刚度范围内,增加刚度所带来抗震性能的提高,不如增加耗能材料效果带来的抗震性能提高效果好。因为增加刚度虽然会增加抗震性能的同时,也会造成地震作用的增大。而增加耗能材料。只会提供高震性能,而不增加地震作用。所以刚度越大。地震作用越大。后面的结论是增加刚度不如增加延性经济,而不是刚度大不好。


但是如果不计成本要做到大震不坏,那么就需要增加刚度了,而不需要耗能了,因为他大震下根本就不会坏!他还要耗能干嘛!