筒體結構簡介

1、高層建筑結構設計土木工程系第9章 框筒、筒中筒與空間結構框筒、筒中筒與空間結構第9章 框筒、筒中筒與空間結構框筒、筒中筒與空間結構通過本章學習，了解結構按空間結構和平面結構簡化計算的原則和區(qū)別，了解框筒、筒中筒結構的特點和布置要點，知道框筒以及筒中筒結構的計算方法。平面結構與空間結構述平面結構與空間結構述框筒與筒中筒結構特點及布置要求框筒與筒中筒結構特點及布置要求框筒及筒中筒結構計算簡框筒及筒中筒結構計算簡介介廣東國際大廈，63層，200m，鋼筋混凝土內筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成深圳國際貿易中心大廈，50層，158m，鋼筋混凝土筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成廣東國際大廈，63層，200

2、m，鋼筋混凝土內筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成2022-5-228平面結構與空間結構述平面結構與空間結構述一般而言，任何一個建筑都是空間結構，任何一個結構都能承受來自不同方向力的作用，結構中的每個構件都與不在同一平面的其它構件相連接，形成三維的傳力體系。但通常將結構簡化為平面結構進行分析。框架、剪力墻、框架剪力墻結構都可以簡化平面結構進行計算。平面框架及空間框架示意一、平面結構分析空間結構簡化為平面結構是有一定條件的，多數(shù)結構符合這些條件，但是一些結構并不滿足這些條件，這時就必須采用空間分析方法。如上圖所示的框架結構，在各個柱之間都設置一定剛度的梁，形成縱橫交叉的框架。當沿y方向作用水平力時

3、，由于y方向框架的作用，1、4、7柱壓縮，而3、6、9柱拉伸。當各框架尺寸基本相同時，各柱的壓縮或者拉伸是接近的，此時x方向的梁受力很小，這些柱在x方向的彎曲變形（出平面變形）也很小，這時按平面框架（共3片）進行分析帶來的誤差很小。如果這3片框架尺寸不相同（梁、柱截面或者層高），那么各柱的拉伸或者壓縮并不相同，在作平面結構假定時，不考慮相鄰平面結構之間豎向變形的協(xié)調，會帶來一些誤差，但只要x方向的梁剛度不太大，這些誤差在工程也是允許的。從力學上說，平面結構應是假定該片結構只是在y方向平面具有剛度并受力（2維），出平面的剛度為0，不產生出平面的內力。因此，每個節(jié)點只有三個 自由度，如下圖所示：在

4、平面結構中，各片框架之間的水平位移是通過樓板協(xié)調的。假定樓板在平面內為無限剛性，可以使同一樓層的所有節(jié)點水平位移相同，或者各片框架水平位移也有線性關系，這可以大大減少分析中的未知變量，在大多數(shù)情況下與實際情況也是符合的。假定樓板在其平面外剛度很小，這就表明各片框架之間的豎向變形是獨立的，也即忽略了豎向變形的協(xié)調。 平面受力及空間受力桿件二、空間結構分析左圖所示的結構則不同。在y方向，僅有15、610兩片框架，1112、1314、1516不能形成y方向框架，因為11、12之間只有樓板，跨度大而線剛度太小，不能形成y方向框架梁。因此，在y方向水平力作用下，15、610形成腹板框架，1、2、6、7柱

5、受壓；4、5、9、10柱受拉。但是，只要x方向的梁剛度足夠大，當角柱壓縮或者拉伸變形時，會使相鄰柱（11、15柱）也產生豎向變形。這樣，在水平力作用下，11、13、15柱受壓，12、14、16柱受拉，x方向框架梁和柱參加受力。在這類結構中，必須同時考慮x、y兩方向構件的變形，必須考慮不在同一平面內框架的共有柱豎向變形的協(xié)調，每個節(jié)點有6個自由度，如右圖所示：平面框架及空間框架示意平面受力及空間受力桿件這種分析稱為空間結構（3維）分析?？臻g結構分析自由度較多，計算工作量增大，為了減少未知量數(shù)目，在空間分析中也常常采用樓板在其自身平面內無限剛性，在平面外剛度為0的假定，這個假定通常是符合實際的。但

6、即使如此，空間分析的自由度數(shù)目仍然很大，因此，在工程中，當符合平面假定時采用平面結構分析方法。平面結構空間協(xié)同工作計算可以考慮結構扭轉，但仍然是在平面結構假定基礎上，只是考慮了樓板的剛體轉動。當不考慮扭轉時，稱為平面結構平移分析。布置規(guī)則，能清楚分出一片一片抗側力單元的結構中，如果各片結構在平面內有較大剛度，并且平面外剛度很小或者相互聯(lián)系及約束不太強時，可以簡化為平面結構。下圖所示的結構必須按照空間結構進行分析?？臻g結構示例框筒與筒中筒結構特點及布置框筒與筒中筒結構特點及布置實腹筒與框筒都是充分利用結構的空間性能，做成三維受力的筒式結構。剪力滯后現(xiàn)象一、框筒結構一、框筒結構1.水平力作用下，框

7、筒結構中除腹板框架抵抗傾覆力矩外，翼緣框架柱主要是通過承受軸力抵抗傾覆力矩。2.剪力滯后：定義：翼緣框架中橫梁的彎曲和剪切變形，使得翼緣框架各柱軸力向中心中間遞減，稱為剪力滯后現(xiàn)象，如圖所示：筒體結構的受力與變形特點 框筒的受力特點（空間整體受力）剪力滯后 剪力腹板框架（通常內筒承擔大部分） 彎矩翼緣框架（外筒大） 變形特點剪彎型剪力滯后的特點：剪力滯后引起柱軸力分布不均勻沿框筒高度也是變化的，以下圖為例。上圖是對深圳國貿中心大廈靜力分析得到的1、20、43層翼緣框架軸力分布圖，由于對稱，只畫出了半個框架。由圖可見，底部剪力滯后現(xiàn)象相對嚴重一些，愈向上柱軸力減小，分布也趨于平緩。剪力滯后導致遠

8、離角柱的柱子不能充分發(fā)揮作剪力滯后導致遠離角柱的柱子不能充分發(fā)揮作用，角柱以及腹板框架必須擔負更多內力。從而用，角柱以及腹板框架必須擔負更多內力。從而使得空間作用減少，結構將耗費更多的材料。使得空間作用減少，結構將耗費更多的材料。減少剪力滯后的主要措施：減少剪力滯后的主要措施： 縮小柱間距，加大梁高，形成縮小柱間距，加大梁高，形成“密密柱深梁柱深梁”。 框筒結構將框筒結構將“密柱深梁密柱深梁”布置在建布置在建筑物外圍，既可以充分利用材料的軸向筑物外圍，既可以充分利用材料的軸向承載能力，使結構具有很大抗側剛度和承載能力，使結構具有很大抗側剛度和抗扭剛度，又可以增大內部空間的使用抗扭剛度，又可以增

9、大內部空間的使用靈活性，是經濟而高效的一種抗側力結靈活性，是經濟而高效的一種抗側力結構。構。3.影響翼緣框架發(fā)揮作用的因素：梁、柱剛度比框筒的平面形狀和高寬比。例如：翼緣框架很長時，剪力滯后導致距離角柱過遠的中間部分柱軸力很小?？蛲哺邔挶缺容^小時，整體彎曲變形減小，水平荷載將主要由腹板框架承擔，翼緣框架軸力較小，發(fā)揮作用不大。二、筒中筒結構二、筒中筒結構定義：框筒和內筒共同組成的結構，一般內筒常常做成鋼筋混凝土實腹筒。同時，內筒減小了樓板跨度，并且可以布置豎向交通以及管道，使用也很合理。因此，筒中筒結構受力合理、經濟，還可以滿足建筑使用要求，是建造50層以上高層建筑較好的結構體系?？蛲才c筒中筒

10、結構典型平面受力特點：內筒與外筒協(xié)同工作，類似于框架剪力墻的協(xié)同工作。外框筒側向變形沿高度分布具有剪切型變形特點，而內實腹筒的側向變形具有彎曲型變形特點。內筒與外筒之間通過樓板協(xié)同工作抵抗水平力，可以使層間變形更加趨于均勻，框筒的內力在上部和下部也趨于均勻。框筒必須做成密柱深梁，以減小剪力滯后，充分發(fā)揮結構空間作用。一般情況下，柱距為13m，最大為4.5m；窗裙梁跨高比約為34，窗洞面積一般不得超過建筑面積的50；三、框筒結構和筒中筒結構布置要點：三、框筒結構和筒中筒結構布置要點：框筒平面宜接近方形、圓形、矩形截面則要保證長短邊的比值不宜超過2，否則在較長的一邊，剪力滯后現(xiàn)象會比較嚴重，長邊中

11、部的柱子不能充分利用；結構總高度與寬度之比大于3時，才能充分發(fā)揮框筒作用，在矮而胖的結構中不宜采用框筒或者筒中筒結構體系；內筒面積不宜過小，通常，內筒邊長為外筒邊長的1/21/3 較為合理，一般情況下，內、外筒之間不再設置柱子；筒中筒結構中的樓蓋不僅承受豎向荷載，在水平荷載作用下還起著剛性隔板作用，一方面，內、外筒通過樓蓋聯(lián)系并協(xié)同工作，另一方面，它維持筒體的平面形狀。因此，樓蓋是筒中筒結構中的重要構件。但是，樓板構件（樓板、梁）的高度不宜太大，要盡量減小樓蓋構件與柱子間的彎矩傳遞，有的筒中筒結構將樓板與柱的連接處理成鉸接，多數(shù)鋼筋混凝土筒中筒結構中，樓蓋做成平板式或者密肋樓蓋以減小端彎矩，使

12、框筒結構的空間結構傳力體系更加明確。內、外筒間距一般為1012m；因為梁、柱的彎矩主要在腹板框架和翼緣框架的平面內，框架平面外的柱彎矩較小，因此框筒結構的柱截面宜做成正方形和扁矩形，也即矩形柱截面的長邊沿外框周圈方向布置；角柱截面要增大，它承受較大軸向力，截面較大可以減少壓縮變形，因此角柱面積為中柱面積的1.21.5倍為宜；由于剪力滯后，各柱的豎向壓縮量不同，角柱壓縮變形最大，因此，樓板四角下沉較多，樓板出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，樓板設計時要注意增加四角的配筋以抵抗翹曲開裂?？蛲布巴仓型步Y構計算簡介框筒及筒中筒結構計算簡介框筒和筒中筒結構都應該按空間結構分析其內力以及位移。精確的空間計算工作量很大，在工程

13、應用時都要做一些簡化。由于簡化的方法和程度不同，框筒和筒中筒結構的計算方法繁多，各有特點?？蛲玻簩⒖蛲驳牧?、柱簡化為帶剛域桿件，按空間桿系方法求解，每個節(jié)點有6個自由度。筒中筒：將外筒看成薄壁桿件，外筒與內筒通過樓板連接協(xié)同工作。同時假定樓板為平面內無限剛性板，忽略其平面外剛度，樓板的作用只是保證內、外筒具有相同的水平位移，而樓板與筒之間無彎矩傳遞關系。本方法需要通過計算機程序，是目前用得最多的方法。帶剛域框架計算簡圖一、空間構件有限元矩陣位移法一、空間構件有限元矩陣位移法二、等效連續(xù)體法二、等效連續(xù)體法框筒的四片框架用四片等效均勻的正交異性平板代替，形成一個等效實腹筒，求出平板內的豎向應力后

14、再回復到梁、柱內力。內筒為實腹筒體，與外筒協(xié)同工作。通常通過彈性力學方法得到函數(shù)解，也可以通過程序計算。將外筒以及內筒均沿高度劃分為豎向條帶，條帶的應力分布用函數(shù)表示，條帶連接處上的位移為未知函數(shù)，通過求解位移函數(shù)得到應力。這種方法比平面有限元方法大大減少未知量，適于在規(guī)則的高層建筑結構的空間分析中采用。外筒與內筒也通過無限剛性樓板連接協(xié)同工作。也需要通過程序計算。帶剛域框架計算簡圖三、有限條方法三、有限條方法四、平面結構分析方法四、平面結構分析方法矩形平面的框筒結構在水平荷載作用下的分析可以簡化成等效平面結構，然后按平面結構方法計算。這樣可以使用平面框架的分析程序，比較方便。如上圖所示，具有

15、對稱軸的矩形平面框筒，將翼緣框架旋轉90度后，與腹板框架在同一平面內，成為平面框架。根據(jù)空間結構的受力特點，可以建立出平面框架的計算簡圖。腹板框架與一般平面框架類似，承受框架平面內的水平剪力與傾覆彎矩，引起梁、柱彎曲、剪切與軸向變形。翼緣框架的變形與內力則主要是由于角柱的軸向變形產生。故由翼緣展開后形成的平面框架計算簡圖如下圖：框筒結構翼緣展開法1.翼緣展開法將角柱一分為二，一部分屬于腹板框架（面積為角柱的一般，慣性矩取為繞y軸方向形心軸的慣性矩），另一部分屬于翼緣框架（面積為角柱的一般，慣性矩取為繞x軸方向形心軸的慣性矩），兩者之間用一個虛擬的剛性剪切梁連接，該梁的剪切剛度很大，彎曲剛度以及

16、軸向剛度都很小，只能傳遞剪力，可以保證角柱的兩個部分具有相同的軸向變形。如果框筒完全對稱，可以取1/4框筒計算。此時，根據(jù)其變形特點選擇邊界約束，翼緣框架的中點（C）水平位移和彎矩為0，豎向有位移，因而選用滾動支座。腹板框架中點（A）的豎向位移為0，但有彎曲以及水平位移，因而選用滾動鉸支承節(jié)點。形的實腹內筒可以分為兩個“”形的剪力墻，按照平面結構計算，可與展開成平面的框架協(xié)同工作。協(xié)同工作原理與框架剪力墻結構相同。 可以利用程序來進行內力以及位移分析，也可以利用該方法進行大量計算后給出圖表曲線，以供初步設計時采用?？蛲步Y構翼緣展開法2.等代角柱法等代角柱法的基本思路與上述方法類似，但是用一根等代角柱代替實際的角柱以及翼緣框架的作用，因而，框筒的計算簡圖如下圖所示：等代的原則是等代角柱的軸向變形與原角柱相同，其軸力為角柱以及翼緣框架柱承擔的軸力之和，即：實際角柱軸向變形： 等代角柱軸向變形： 其中： ，m為1/2翼緣框架柱子數(shù)目；11EAhNeqEANhmNNNN21N1 角柱軸力； h層高； A1、Aeq 原角柱與等代角柱面積；111AANNAeq由于以上兩個相等，可以得到： 稱為等代系數(shù)，是通過下圖所示的翼緣框架計算得到的：框筒結構等代角柱法在角柱上作用單位力，計算得到各柱所受的軸力，即可以得到 值。 值的影響