力流、刚度理论及延性在结构设计中的作用__应老庄院力、刚度、能量三境界而作

摘要：力流分析、刚度理论及延性是结构设计中重要的概念。对提升结构认识，把握结构行为，了解结构本质有着重要的意义，本文拟就从这三方面内容在结构设计中的作用进行一个简要的叙述，为读者提供一种分析结构的思路。

关键字：力流分析 刚度理论 延性 结构分析
设计是一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程。人类通过劳动改造世界，创造文明，创造物质财富和精神财富，而最基础、最主要的创造活动是造物。设计便是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。从中我们可以看出，设计是一种计划、规划的活动。而建筑设计就是对建筑物的一种计划、规划的活动，而在计划、规划过程中，结构设计起着举足的作用，关系着整个建筑的安全性。因而需要结构工程师拥有严谨的态度，符合科学的分析方法。然而目前，结构软件一体化的操作流程，让很多结构工程师变成了软件的奴隶。失去了结构工程师应有的分析能力，而变成一个简单的软件操作人员。
结构分析作为结构设计中最精华的部分，我们有必要对其进行细致深入的把握。在混凝土规范中,将结构分析放在仅次于结构方案地位，也足以说明其重要性。结构分析是分析结构在外荷载或作用下，其结构自身的内力、变形行为。因此，要做好结构分析，必须得把握好两方面的内容：一是外荷载或作用的合理确定，二是结构自身内力、变形行为。如何合理确定外荷载或作用，这是一件很难的事情，从哲学的角度上讲，任何事物都是在变化、运动中的，因而，要确定结构的外荷载或作用似乎是一件不可能的事情。然而，数学的发展以及实际工程的需求，我们可以从概率的角度来确定外荷载或作用。在人们可以接受的概率下，确定结构遭受的外荷载或作用。荷载规范从概率的角度为我们提供了结构的外荷载，抗震规范也从地震发生的概率角度提供了用于地震分析的地震作用。如何分析这些外荷载及作用在结构上的行为，力流分析为我们提供了一种形象的方法。外荷载及作用作用于结构上，在结构内部是如何传递分配的是看不见摸不着的，但这种分配与传递确实实在在地存在着，为了形象地说明力流的传递与分配，人们想到了水流，运用水流来模拟力流。将外荷载或作用看成是水。而荷载或作用在结构中的传递与分配看成是水的流动过程。水在流动过程中总是从无数的小沟小溪汇集到小河中，无数的小河汇集到大河中，无数的大河汇集到大海中。结构中的力流也是一样的，总是分散的荷载汇集到板上，很多的板荷载汇集到梁上，很多的梁荷载汇集到墙柱上，墙柱荷载汇集到基础上，最后基础将荷载汇集到大地上。跟水流极其相似。都是一个万众归一的过程。这就是力流分析的方法。
然而，在力流分析的过程中，整个过程中的每个点点滴滴，我们也要细致把握。正如水流在流动过程中一样，力流在流动过程中也有很多规律可循。水流在遇突石等变化时会变得湍急，力流也一样，遇刚度突变等部位也会产生应力集中现象。因而，结构设计中需遵循刚度均匀的原则，不至产生过大的突变，引起力流传递的突变。遵循力流的传递，我们对结构进行适当的梳理，以方便力流的畅通。在建筑结构中，力流主要有两方面，水平力流和竖向力流。竖向力流沿着板梁柱墙至基础地基传递，水平力流作用于结构楼层及侧面上，通过竖向构件的拉压作用传至基础地基。任何力流最后都传至地基上。力流在传递过程中，主要受结构内部因素刚度影响较大，通过结构力学的学习，我们知道力流是按刚度来分配传递的，刚度是影响力流传递的主要因素。如竖向力流在传递过程中总是先至板，再至次梁，再至主梁，通过主梁再传至墙柱，而不是直接传至柱。是跟各构件的相对刚度有关的。由于次梁刚度较小于主梁刚度（不是截面刚度，而是构件刚度，跟截面大小、构件尺度及边界条件均有关系）因而，主梁一般起支撑次梁作用。在结构中常用的一种结构，转换结构，即上部的竖向构件在某层通过水平构件转换竖向力流，然后再传至旁位竖向构件。从力流的分析过程中，我们知道这种结构传力不通畅，属于力流不利结构。因而，在力流改变途径处，力流集中。需加强，规范上对此也做了很多要求。再如框剪结构体系。由框架和剪力墙两种竖向构件组建而成，由于是两种结构体系组合而成，我们总希望其协同作用。而其协同作用的保证乃是楼板，，因此在设计中应保证楼板能协调框架和建立墙，楼板的协调作用是通过楼板水平放置的深梁来实现的，因而要保证楼板的平面内刚度。在设计规范中，规定了剪力墙之间距离的要求，这是楼板能起协同作用的保证。在水平力流下，由于楼板的协同，框架和剪力墙能协同工作。由于框架和剪力墙刚度的巨大差距，剪力墙对水平力流传递的贡献远大于框架部分。因此，常规框架剪力墙结构一般把剪力墙作为第一道防线，而框架部分仅作为次防线。这样剪力墙的要求需较高，而框架部分的要求则可适当降低。这也是结构设计中的重要思想之一，重点部分重点对待。再如楼板荷载的传递总是遵循向刚度大的部分传递。如果板两方向的尺度大致相等，则力流通过板面向四面传递，随着两方向尺度差距的拉大，荷载逐步加大向尺度小（即刚度大）的一方传递，当相比达到2时。则力流百分之九十四都通过短向传至边界了。再如双向梁体系，谁作为支撑梁的问题。在实际受力分析时发现，总是刚度大的梁作为刚度小的梁的支座。通过以上几个简单的工程实例发现，力流在结构中的传递总是喜好于向刚度大的构件传递。这也是在实际工程中我们引导力流的方向的措施。如实际工程中双向井字梁的布置，如果两方向尺度相差较大，而我们又希望荷载均匀传递至四周，则可以通过斜向布置梁，来达到荷载的均匀传递。这也是通过调整结构刚度来引导力流的措施。由于结构刚度看不见，摸不着，在实际中，我们一般用柔度来衡量一个结构的刚度。即通过结构的变形来间接反映刚度。如结构设计中位移的控制，其实质是保证一个结构的必要刚度。在工程中，我们还有一些指标反映结构的刚度，如周期，刚重比等等。
上面提到用结构的变形来间接控制结构刚度，由能量的原理知道，力与变形的积分就是功。由于变形分塑性和脆性之分，即变形量是不一样的。因而，各种变形能积累的能量是不一样的。而在结构抗震工程设计中，能量是一个很重要的概念。因为地震其本质就是一个能量释放的过程。抗震设计就是要设计出能接受地震所赋予其能量而不至倒塌的结构。这就要求结构要具备一定的延性。规范中，用延性指标来表达。根据能量的原理知道，变形性能好（即延性好）的材料积累同样的能量需要的结构抗力就小，这也是规范规定各种材料的可靠度指标的标准。为了达到同样的安全度。延性差的材料其抗力承载力要求就高。这也是中外规范对结构延性构造要求不一致的原因之一，由于我国建筑结构的抗力设计值较国外发达国家低，为满足一定的地震安全要求。因此加强了延性构造措施，一定程度上缓解了地震作用下总安全储备偏低的现状。
以上从建筑物的外荷载力，到结构物自身刚度，到最后的能量理论进行了一个简要的探讨。从上面的分析可以看出，遭受的外力是外因，结构自身的刚度是内在因素，而能量原理是本质现象。合理运用力流分析、刚度理论、能量原理可以为我们实际工程设计提供一个合理设计思路。