力学概念|结构设计中的刚柔搭配

本文中的刚与柔是指杆件体系的抗弯刚度

。

大者，刚；

小者，柔。这里刚与柔不是绝对的，只是相比较而言。如图1中，BD刚度是AC刚度的2倍，那么根据剪力分配原则，支座剪力

是

的两倍。

▲ 图1

也就是说，横梁刚度为无穷大时，根据剪力分配原则，抗弯刚度

大的柱子能分配到的剪力就越大。进一步，如果

都相同，约束越强，则分配到的剪力越大，通俗一点，水平荷载更喜欢传递到强壮的支座上，如图2所示。

▲ 图2

如图3所示，当横梁的刚度无穷大的时候，若三根柱子的抗弯刚度

相同，其最大弯矩与支座剪力完全一样。如果两侧的柱子刚度比中间的大，那么两边的柱子分配到的剪力比中间的多。横梁的刚度不是无穷大时，中间柱子弯矩与剪力最大，但这不是本文的重点，因为结构设计都将楼板刚度视为无穷大。

▲ 图3

对于超高层建筑，其长细比很大。在受水平荷载时，类比悬臂梁弯曲，此时越靠近外表面的区域正应力越大，如图4所示。如果是框架核心筒体系，理论上外框架柱的尺寸要做得很大且应当是均匀的。考虑到剪力分配原则以及梁的弯曲，可将四个角的柱子做的很大，原因是

很大且约束很强，能分配到更多剪力，另一方面承受更多"弯曲正应力"，从而充分利用材料性能，而其余柱子尺寸稍小(这些柱子所受的正应力较小)。这样既美观实用又节约材料。

▲ 图4

结构设计中刚柔搭配要得当，若配合不协调，刚者不能发挥作用。下面是一些工程实例。

▲ 平安金融中心的巨柱和次柱布局

▲ 广州东塔的巨柱和次柱布局

▲ 天津117的巨柱和次柱布局

▲ 合肥某项目