高層建筑結構設計(第六講)12（優(yōu)選課資）

1、第六講第六講 筒體結構設計筒體結構設計唐興榮唐興榮蘇州科技學院蘇州科技學院 土木工程學院土木工程學院二二一二年一二年二月二月1聽雨C書屋第六講第六講 筒體結構設計筒體結構設計內容提要內容提要 框筒的剪力滯后框筒的剪力滯后 框筒的變形規(guī)律框筒的變形規(guī)律 筒中筒結構筒中筒結構 布置要點布置要點 框筒的估算方法框筒的估算方法 構件配筋設計特點構件配筋設計特點2聽雨C書屋框筒結構的剪力滯后腹板框架翼緣框架一、框筒的剪力滯后一、框筒的剪力滯后1 1、框筒、筒中筒和束筒的概念、框筒、筒中筒和束筒的概念 由密排柱由密排柱（柱距（柱距1 1 3m3m，不超過，不超過4.5m4.5m）和跨高比較小和跨高比較?。?/p>

2、跨高比（跨高比3 3 4 4）的裙梁構成密柱深梁框架，布置在建筑物周圍形成框筒的裙梁構成密柱深梁框架，布置在建筑物周圍形成框筒 框筒和實腹筒組成筒中筒框筒和實腹筒組成筒中筒 多個框筒排列組成束筒多個框筒排列組成束筒2 2、框筒的剪力滯后、框筒的剪力滯后 與水平力平行的腹板框架與一般框架相似與水平力平行的腹板框架與一般框架相似 （一端受拉、一端受壓，角柱受力最大）（一端受拉、一端受壓，角柱受力最大） 與水平力垂直的翼緣框架各柱受力不均，與水平力垂直的翼緣框架各柱受力不均， 中柱的軸向應力減小，角柱軸力增大中柱的軸向應力減小，角柱軸力增大剪力滯后現(xiàn)象剪力滯后現(xiàn)象3聽雨C書屋 框筒剪力滯后原因框筒剪

3、力滯后原因翼緣框架變形示意角柱角柱 角柱受壓縮短，使與其相鄰的裙梁承受剪力，因此相鄰柱承受軸壓；角柱受壓縮短，使與其相鄰的裙梁承受剪力，因此相鄰柱承受軸壓； 第二柱受壓使第二跨裙梁受剪，相鄰柱又承受壓力；第二柱受壓使第二跨裙梁受剪，相鄰柱又承受壓力； 傳遞傳遞. 翼緣框架的裙梁和柱都承受其平面內的彎矩、剪力與軸力。由于梁翼緣框架的裙梁和柱都承受其平面內的彎矩、剪力與軸力。由于梁的變形的變形, ,使翼緣框架各柱壓縮變形向中心逐漸遞減使翼緣框架各柱壓縮變形向中心逐漸遞減, ,軸力也逐漸減小軸力也逐漸減小剪力滯后現(xiàn)象剪力滯后現(xiàn)象 同理同理, ,受拉翼緣框架也產生軸向拉力的剪力滯后現(xiàn)象。受拉翼緣框架也

4、產生軸向拉力的剪力滯后現(xiàn)象。4聽雨C書屋 翼緣框架的內力和變形都在其平面內（由于翼緣框架各柱和裙梁內翼緣框架的內力和變形都在其平面內（由于翼緣框架各柱和裙梁內力是由角柱傳來），腹板框架的內力和變形也在其平面內，這使框筒力是由角柱傳來），腹板框架的內力和變形也在其平面內，這使框筒在水平荷載作用下內力分布形成在水平荷載作用下內力分布形成“筒筒”的空間特性。的空間特性。3 3、影響剪力滯后的因素、影響剪力滯后的因素 柱距與裙梁的高度柱距與裙梁的高度 角柱面積角柱面積 影影響響剪剪力力滯滯后后大大小小的的主主要要因因素素是是裙裙梁梁剪剪切切剛剛度度( (312lEISbb) )與與柱柱軸軸向向剛剛度度

5、( (hEAScc) )的的比比值值。梁梁的的剪剪切切剛剛度度越越大大, ,剪剪力力滯滯后后越越小小。 若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可結合設備層、避免層若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可結合設備層、避免層設置沿框筒周圈的環(huán)向桁架。由于環(huán)向桁架的剛度大，可減小翼緣框設置沿框筒周圈的環(huán)向桁架。由于環(huán)向桁架的剛度大，可減小翼緣框架和腹板框架的剪力滯后。架和腹板框架的剪力滯后。 角柱越大，承受的軸力也越大，提高了角柱及相鄰柱的軸力，翼角柱越大，承受的軸力也越大，提高了角柱及相鄰柱的軸力，翼緣框架的抗傾覆力矩會越大。但角柱加大使它與中柱軸力差越大。緣框架的抗傾覆力矩會越大。但角柱加大使它與中

6、柱軸力差越大。5聽雨C書屋 框筒結構高度框筒結構高度 框筒平面形狀框筒平面形狀 剪力滯后現(xiàn)象沿框筒高度是變化的，底部剪力滯后現(xiàn)象相對嚴重一剪力滯后現(xiàn)象沿框筒高度是變化的，底部剪力滯后現(xiàn)象相對嚴重一些，越向上柱軸力絕對值較小，剪力滯后現(xiàn)象緩和，軸力趨于平均。些，越向上柱軸力絕對值較小，剪力滯后現(xiàn)象緩和，軸力趨于平均。 框筒結構要達到相當?shù)母叨?，才能充分發(fā)揮結構的作用，高度不框筒結構要達到相當?shù)母叨?，才能充分發(fā)揮結構的作用，高度不大的框筒，剪力滯后影響相對較大。大的框筒，剪力滯后影響相對較大。 翼緣框架越長，剪力滯后也越大，翼緣框架中部的柱子軸力會很小。翼緣框架越長，剪力滯后也越大，翼緣框架中部的

7、柱子軸力會很小。 框筒平面邊長過大或長方形平面都是不利的。正方形、圓形、正框筒平面邊長過大或長方形平面都是不利的。正方形、圓形、正多邊形是框筒結構最理想的平面形狀。多邊形是框筒結構最理想的平面形狀。 在長邊的中部加一道橫向密柱，可大大減小剪力滯后效應，提高在長邊的中部加一道橫向密柱，可大大減小剪力滯后效應，提高中柱的軸力中柱的軸力 束筒束筒6聽雨C書屋二、框筒變形規(guī)律二、框筒變形規(guī)律 腹板框架的變形腹板框架的變形一般框架類似，呈剪切變形（層間變形下部大，上部?。┮话憧蚣茴愃疲始羟凶冃危▽娱g變形下部大，上部?。?翼緣框架的變形翼緣框架的變形翼緣框架的拉、壓軸向變形使結構具有彎曲型。翼緣框架的拉

8、、壓軸向變形使結構具有彎曲型。 整個框筒結構的變形整個框筒結構的變形= =腹板框架的變形（剪切型）腹板框架的變形（剪切型）+ +翼緣框架的變形翼緣框架的變形（彎曲型）。大多數(shù)情況下框筒總變形仍略偏向于剪切型。（彎曲型）。大多數(shù)情況下框筒總變形仍略偏向于剪切型。 由于框筒各個柱承受的軸力不同，軸向變形也不同，角柱軸力及軸由于框筒各個柱承受的軸力不同，軸向變形也不同，角柱軸力及軸向變形最大（拉伸或壓縮），中部柱子軸向應力及軸向變形減小向變形最大（拉伸或壓縮），中部柱子軸向應力及軸向變形減小 使樓板產生翹曲，底部樓層翹曲嚴重，向上逐漸減小。使樓板產生翹曲，底部樓層翹曲嚴重，向上逐漸減小。7聽雨C書屋

9、配置鋼筋網底部鋼筋上部鋼筋L1L2L1/3且3000L2/3且3000鋼筋網間距150l/5l/5l-較長的凈跨配置斜向鋼筋 筒體結構的樓蓋外角宜設置雙層雙向鋼筋，單層單向配筋率不宜筒體結構的樓蓋外角宜設置雙層雙向鋼筋，單層單向配筋率不宜小于小于0.3%0.3%，鋼筋的直徑不應小于，鋼筋的直徑不應小于8mm8mm，間距不應大于，間距不應大于150mm150mm，配筋范，配筋范圍不宜小于外框架（或外筒）至內筒外墻中距的圍不宜小于外框架（或外筒）至內筒外墻中距的1/31/3和和3m3m。8聽雨C書屋三、框筒與實腹筒組合三、框筒與實腹筒組合筒中筒結構筒中筒結構 外框筒外框筒+內實腹筒內實腹筒 筒中筒

10、結構（雙重抗側力體系）筒中筒結構（雙重抗側力體系） 外框筒承受的剪力一般可達外框筒承受的剪力一般可達25%以上，傾覆力矩一般可達以上，傾覆力矩一般可達50%以上。以上。框筒以承受傾覆力矩為主，內筒承受大部分剪力框筒以承受傾覆力矩為主，內筒承受大部分剪力。 框筒結構抵抗水平荷載的協(xié)同工作，與框架框筒結構抵抗水平荷載的協(xié)同工作，與框架剪力墻結構類似。實腹剪力墻結構類似。實腹筒以彎曲變形為主，框筒剪切變形成分較大，框筒與實腹筒的協(xié)同工筒以彎曲變形為主，框筒剪切變形成分較大，框筒與實腹筒的協(xié)同工作使層間變形更加均勻。作使層間變形更加均勻。 框筒布置在建筑周邊，使結構的抗扭剛度增大；框筒布置在建筑周邊，

11、使結構的抗扭剛度增大； 筒中筒結構是一種適用于超高層建筑的高效結構體系筒中筒結構是一種適用于超高層建筑的高效結構體系9聽雨C書屋四、布置要點四、布置要點 平面外形平面外形 研究表明，對正多邊形而言，邊數(shù)越多，剪力滯后現(xiàn)象越不顯著，結構的空研究表明，對正多邊形而言，邊數(shù)越多，剪力滯后現(xiàn)象越不顯著，結構的空間作用越大；反之，邊數(shù)越少，結構的空間作用越差。間作用越大；反之，邊數(shù)越少，結構的空間作用越差。 高層建筑混凝土結構設計規(guī)程高層建筑混凝土結構設計規(guī)程（JGJ3-2010）規(guī)定：）規(guī)定：筒中筒結構的平面筒中筒結構的平面外形宜選用圓形、正多邊形、橢圓形或矩形等，內筒宜居中外形宜選用圓形、正多邊形、

12、橢圓形或矩形等，內筒宜居中。平面框筒的性能比較。假定平面框筒的性能比較。假定5種外形（種外形（圓形、正六邊形、正方形、正三角形及圓形、正六邊形、正方形、正三角形及矩形（長寬比為矩形（長寬比為2）的平面面積和筒壁混凝土用量均相同）的平面面積和筒壁混凝土用量均相同 10聽雨C書屋 在相同水平荷載作用下，以圓形的側向剛度和受力性能最佳，矩形最差；在相同水平荷載作用下，以圓形的側向剛度和受力性能最佳，矩形最差； 在相同基本風壓作用下，圓形平面的風載體型系數(shù)和風荷載最小，優(yōu)點更在相同基本風壓作用下，圓形平面的風載體型系數(shù)和風荷載最小，優(yōu)點更為明顯；矩形平面相對更差，由于正方形和矩形平面的利用率較高，仍具

13、有為明顯；矩形平面相對更差，由于正方形和矩形平面的利用率較高，仍具有一定的實用性，但對矩形平面的長寬比需要加以限制。一定的實用性，但對矩形平面的長寬比需要加以限制。11聽雨C書屋 正三角形平面的結構性能也較差，應通過切角使其成為六邊形來改善外框正三角形平面的結構性能也較差，應通過切角使其成為六邊形來改善外框筒的剪力滯后現(xiàn)象，提高結構的空間作用。筒的剪力滯后現(xiàn)象，提高結構的空間作用。 外框筒的切角長度不宜小于相應邊長的外框筒的切角長度不宜小于相應邊長的1/8，其角部可設置剛度較大的角柱，其角部可設置剛度較大的角柱或角筒；或角筒； 內筒的切角不宜小于相應邊長的內筒的切角不宜小于相應邊長的1/10，

14、切角處的筒壁宜適當加厚，切角處的筒壁宜適當加厚 。12聽雨C書屋 內筒設計內筒設計 內筒是筒中筒結構抗側力的主要子結構，宜貫通建筑物全高，豎向剛度宜內筒是筒中筒結構抗側力的主要子結構，宜貫通建筑物全高，豎向剛度宜均勻變化，以免結構的側移和內力發(fā)生急劇變化。均勻變化，以免結構的側移和內力發(fā)生急劇變化。 為了使筒中筒結構具有足夠的側向剛度，內筒的剛度不宜過細小，為了使筒中筒結構具有足夠的側向剛度，內筒的剛度不宜過細小，通常，通常，內筒邊長內筒邊長=（1/2 1/3）外筒邊長，）外筒邊長，其邊長可取筒體結構高度的其邊長可取筒體結構高度的1/121/15，一般不宜超過一般不宜超過15m ；當外框筒內設

15、置剛度較大的角筒或剪力墻時，內筒平；當外框筒內設置剛度較大的角筒或剪力墻時，內筒平面尺寸可適當減小。面尺寸可適當減小。13聽雨C書屋 外框筒設計外框筒設計 框筒的開孔率框筒的開孔率框筒結構的重要參數(shù)之一框筒結構的重要參數(shù)之一 當框筒孔洞的雙向尺寸分別等于柱距和層高的當框筒孔洞的雙向尺寸分別等于柱距和層高的40%（即開孔率為（即開孔率為16%）時，）時，截面應力分布接近實體墻，在側向荷載作用下，框筒同一橫截面的豎向應截面應力分布接近實體墻，在側向荷載作用下，框筒同一橫截面的豎向應力分布接近平截面假定；力分布接近平截面假定；14聽雨C書屋開孔率與框筒空間作用的關系開孔率與框筒空間作用的關系（a a

16、）與軸力比的關系；（）與軸力比的關系；（b b）與用料指標的關系）與用料指標的關系15聽雨C書屋 孔洞的形狀孔洞的形狀16聽雨C書屋17聽雨C書屋 柱距和梁高柱距和梁高 計算分析表明，當孔洞的開孔率和形狀一定時，框筒的剛度以柱計算分析表明，當孔洞的開孔率和形狀一定時，框筒的剛度以柱距等于層高時最佳，考慮到高層建筑的標準層層高大多在距等于層高時最佳，考慮到高層建筑的標準層層高大多在4m4m以內，以內，因此在一般情況下，柱距不宜大于因此在一般情況下，柱距不宜大于4m4m。 外框筒梁的截面高度可取柱凈距的外框筒梁的截面高度可取柱凈距的1/41/4。 角柱截面面積角柱截面面積 在側向力作用下，框筒角柱

17、的軸向力明顯大于端柱，為了減小各在側向力作用下，框筒角柱的軸向力明顯大于端柱，為了減小各層樓蓋的翹曲，角柱的截面面積可適當放大，可取中柱截面面積層樓蓋的翹曲，角柱的截面面積可適當放大，可取中柱截面面積的的1 12 2倍，必要時可采用倍，必要時可采用L L形角墻或角筒。形角墻或角筒。 一般一般角柱截面面積角柱截面面積=1.5=1.5 中柱截面面積中柱截面面積18聽雨C書屋 結構總高度結構總高度H H與寬度與寬度B B大于大于3 3，才能充分發(fā)揮框筒作用。，才能充分發(fā)揮框筒作用。 樓蓋梁系的布置方式宜使角柱承受較大的豎向荷載，以平衡角柱樓蓋梁系的布置方式宜使角柱承受較大的豎向荷載，以平衡角柱中的拉

18、力。中的拉力。 框筒結構的柱截面宜做成正方形、扁矩形或框筒結構的柱截面宜做成正方形、扁矩形或T T形。形。 筒中筒結構中，框筒結構的各柱可抵抗較大的傾覆力矩。因此沒筒中筒結構中，框筒結構的各柱可抵抗較大的傾覆力矩。因此沒有必要再在內外筒之間設置伸臂有必要再在內外筒之間設置伸臂 帶加強層的高層建筑結構設計帶加強層的高層建筑結構設計 由于框筒結構柱距較小，在底部設置出入通道而要求加大柱距，由于框筒結構柱距較小，在底部設置出入通道而要求加大柱距，必須布置轉換層結構必須布置轉換層結構 帶轉換層高層建筑結構設計帶轉換層高層建筑結構設計19聽雨C書屋五、框筒結構的內力計算五、框筒結構的內力計算 精確方法：

19、計算機分析精確方法：計算機分析 三維空間結構分析程序三維空間結構分析程序 估算方法：只能用于初步設計估算方法：只能用于初步設計 將矩形框筒簡化為兩個槽形豎向懸臂結構，考慮剪力滯后，槽形的翼緣寬將矩形框筒簡化為兩個槽形豎向懸臂結構，考慮剪力滯后，槽形的翼緣寬度取值度取值 1/21/2腹板寬度及腹板寬度及1/101/10建筑高度。建筑高度。框筒內力的估算簡圖水平荷載槽形截面中和軸20聽雨C書屋第第 i i 個柱內軸力個柱內軸力 cieipciAIcMN 第第 j j 個梁內剪力個梁內剪力 hISVVejpLj pM-水平荷載產生的總彎矩水平荷載產生的總彎矩 pV-水平荷載產生的總剪力水平荷載產生的

20、總剪力 eI-框筒簡化平面對框筒中性軸的慣性矩。 可以將簡化平面內所有柱面積乘框筒簡化平面對框筒中性軸的慣性矩。 可以將簡化平面內所有柱面積乘以柱中心到中性軸距離平方之和以柱中心到中性軸距離平方之和 ciA-i i 柱面積柱面積 h-層高層高 jS-第第 j 個梁中心線以外的平面面積對中性軸的面積矩個梁中心線以外的平面面積對中性軸的面積矩 21聽雨C書屋六、構件配筋設計要點六、構件配筋設計要點 裙梁跨高比小，水平荷載作用下的反彎較大，易剪切破壞，應按裙梁跨高比小，水平荷載作用下的反彎較大，易剪切破壞，應按強剪弱彎強剪弱彎設計設計裙梁配筋，并按連梁要求裙梁配筋，并按連梁要求限制其平均剪應力（剪壓

21、比）限制其平均剪應力（剪壓比）； 當梁的跨高比較小時，可以采用延性較好的當梁的跨高比較小時，可以采用延性較好的交叉斜撐配筋交叉斜撐配筋方式。方式。 抗震的框筒結構特別要注意抗震的框筒結構特別要注意強柱弱梁強柱弱梁的設計要求。的設計要求。 角柱應按角柱應按雙向彎曲設計雙向彎曲設計柱截面配筋。柱截面配筋。 如果樓蓋大梁從剪力墻平面外與剪力墻相交，使剪力墻產生平面外彎矩，則要如果樓蓋大梁從剪力墻平面外與剪力墻相交，使剪力墻產生平面外彎矩，則要視梁端彎矩的大小采取相應措施，應設置墻垛及配筋暗柱，增強墻肢平面外的視梁端彎矩的大小采取相應措施，應設置墻垛及配筋暗柱，增強墻肢平面外的抗彎能力，要進行抗彎能力

22、，要進行平面外截面受彎承載力驗算平面外截面受彎承載力驗算。 樓蓋的樓板和梁構件除了進行豎向荷載下的抗彎配筋外，要樓蓋的樓板和梁構件除了進行豎向荷載下的抗彎配筋外，要考慮樓板翹曲考慮樓板翹曲，樓，樓板四角要配置抗翹曲的板面斜向鋼筋，或配置鋼筋網。板四角要配置抗翹曲的板面斜向鋼筋，或配置鋼筋網。22聽雨C書屋七、框架七、框架- -核心筒結構核心筒結構 實腹筒布置在周邊框架內部時實腹筒布置在周邊框架內部時 框架框架- -核心筒結構核心筒結構 框架框架- -核心筒結構核心筒結構(Frame-Core Structure)(Frame-Core Structure)與筒中筒結構在平面形式上可能與筒中筒結

23、構在平面形式上可能相似，但其受力性能有很大的區(qū)別：相似，但其受力性能有很大的區(qū)別： 框架框架- -核心筒結構的抗側剛度大大小于筒中筒結構的抗側剛度；核心筒結構的抗側剛度大大小于筒中筒結構的抗側剛度； 框架框架- -核心筒結構的翼緣框架柱子軸力小，柱數(shù)量又較少，翼緣框架承受的核心筒結構的翼緣框架柱子軸力小，柱數(shù)量又較少，翼緣框架承受的總軸力要比框筒小得多，軸力形成的抗傾覆力矩也小得多?？傒S力要比框筒小得多，軸力形成的抗傾覆力矩也小得多。 框架框架- -核心筒結構中內筒成為主要抗側力部分，而筒中筒結構中抵抗剪力以核心筒結構中內筒成為主要抗側力部分，而筒中筒結構中抵抗剪力以內筒為主，抵抗傾覆力矩則以外框筒為主。內筒為主，抵抗傾覆力矩則以