筒體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)土木工程系第9章 框筒、筒中筒與空間結(jié)構(gòu)框筒、筒中筒與空間結(jié)構(gòu)第9章 框筒、筒中筒與空間結(jié)構(gòu)框筒、筒中筒與空間結(jié)構(gòu)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，了解結(jié)構(gòu)按空間結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算的原則和區(qū)別，了解框筒、筒中筒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和布置要點(diǎn)，知道框筒以及筒中筒結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)述平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)述框筒與筒中筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及布置要求框筒與筒中筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及布置要求框筒及筒中筒結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)框筒及筒中筒結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)介介廣東國(guó)際大廈，63層，200m，鋼筋混凝土內(nèi)筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成深圳國(guó)際貿(mào)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(guó)際大廈，63層，200

2、m，鋼筋混凝土內(nèi)筒體，外筒由鋼骨混凝土和鋼柱組成2022-5-228平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)述平面結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)述一般而言，任何一個(gè)建筑都是空間結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)都能承受來(lái)自不同方向力的作用，結(jié)構(gòu)中的每個(gè)構(gòu)件都與不在同一平面的其它構(gòu)件相連接，形成三維的傳力體系。但通常將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？蚣堋⒓袅?、框架剪力墻結(jié)構(gòu)都可以簡(jiǎn)化平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。平面框架及空間框架示意一、平面結(jié)構(gòu)分析空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)是有一定條件的，多數(shù)結(jié)構(gòu)符合這些條件，但是一些結(jié)構(gòu)并不滿(mǎn)足這些條件，這時(shí)就必須采用空間分析方法。如上圖所示的框架結(jié)構(gòu)，在各個(gè)柱之間都設(shè)置一定剛度的梁，形成縱橫交叉的框架。當(dāng)沿y方向作用水平力時(shí)

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(dāng)各框架尺寸基本相同時(shí)，各柱的壓縮或者拉伸是接近的，此時(shí)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(shí)按平面框架（共3片）進(jìn)行分析帶來(lái)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(jié)構(gòu)假定時(shí)，不考慮相鄰平面結(jié)構(gòu)之間豎向變形的協(xié)調(diào)，會(huì)帶來(lái)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(xué)上說(shuō)，平面結(jié)構(gòu)應(yīng)是假定該片結(jié)構(gòu)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(chǎn)生出平面的內(nèi)力。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有三個(gè) 自由度，如下圖所示：在

4、平面結(jié)構(gòu)中，各片框架之間的水平位移是通過(guò)樓板協(xié)調(diào)的。假定樓板在平面內(nèi)為無(wú)限剛性，可以使同一樓層的所有節(jié)點(diǎn)水平位移相同，或者各片框架水平位移也有線(xiàn)性關(guān)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(shí)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(dú)立的，也即忽略了豎向變形的協(xié)調(diào)。 平面受力及空間受力桿件二、空間結(jié)構(gòu)分析左圖所示的結(jié)構(gòu)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?yàn)?1、12之間只有樓板，跨度大而線(xiàn)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(dāng)角柱壓縮或者拉伸變形時(shí)，會(huì)使相鄰柱（11、15柱）也產(chǎn)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(lèi)結(jié)構(gòu)中，必須同時(shí)考慮x、y兩方向構(gòu)件的變形，必須考慮不在同一平面內(nèi)框架的共有柱豎向變形的協(xié)調(diào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)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(chēng)為空間結(jié)構(gòu)（3維）分析?？臻g結(jié)構(gòu)分析自由度較多，計(jì)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(nèi)無(wú)限剛性，在平面外剛度為0的假定，這個(gè)假定通常是符合實(shí)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(dāng)符合平面假定時(shí)采用平面結(jié)構(gòu)分析方法。平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同工作計(jì)算可以考慮結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，但仍然是在平面結(jié)構(gòu)假定基礎(chǔ)上，只是考慮了樓板的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)不考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)，稱(chēng)為平面結(jié)構(gòu)平移分析。布置規(guī)則，能清楚分出一片一片抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)中，如果各片結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)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(qiáng)時(shí)，可以簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)。下圖所示的結(jié)構(gòu)必須按照空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？臻g結(jié)構(gòu)示例框筒與筒中筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及布置框筒與筒中筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及布置實(shí)腹筒與框筒都是充分利用結(jié)構(gòu)的空間性能，做成三維受力的筒式結(jié)構(gòu)。剪力滯后現(xiàn)象一、框筒結(jié)構(gòu)一、框筒結(jié)構(gòu)1.水平力作用下，框

7、筒結(jié)構(gòu)中除腹板框架抵抗傾覆力矩外，翼緣框架柱主要是通過(guò)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(chēng)為剪力滯后現(xiàn)象，如圖所示：筒體結(jié)構(gòu)的受力與變形特點(diǎn) 框筒的受力特點(diǎn)（空間整體受力）剪力滯后 剪力腹板框架（通常內(nèi)筒承擔(dān)大部分） 彎矩翼緣框架（外筒大） 變形特點(diǎn)剪彎型剪力滯后的特點(diǎn)：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(duì)深圳國(guó)貿(mào)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(duì)稱(chēng)，只畫(huà)出了半個(gè)框架。由圖可見(jiàn)，底部剪力滯后現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重一些，愈向上柱軸力減小，分布也趨于平緩。剪力滯后導(dǎo)致遠(yuǎn)

8、離角柱的柱子不能充分發(fā)揮作剪力滯后導(dǎo)致遠(yuǎn)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(dān)負(fù)更多內(nèi)力。從而用，角柱以及腹板框架必須擔(dān)負(fù)更多內(nèi)力。從而使得空間作用減少，結(jié)構(gòu)將耗費(fèi)更多的材料。使得空間作用減少，結(jié)構(gòu)將耗費(fèi)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(jié)構(gòu)將框筒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有很大抗側(cè)剛度和承載能力，使結(jié)構(gòu)具有很大抗側(cè)剛度和抗扭剛度，又可以增大內(nèi)部空間的使用抗扭剛度，又可以增

9、大內(nèi)部空間的使用靈活性，是經(jīng)濟(jì)而高效的一種抗側(cè)力結(jié)靈活性，是經(jīng)濟(jì)而高效的一種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。構(gòu)。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(zhǎng)時(shí)，剪力滯后導(dǎo)致距離角柱過(guò)遠(yuǎn)的中間部分柱軸力很小?？蛲哺邔挶缺容^小時(shí)，整體彎曲變形減小，水平荷載將主要由腹板框架承擔(dān)，翼緣框架軸力較小，發(fā)揮作用不大。二、筒中筒結(jié)構(gòu)二、筒中筒結(jié)構(gòu)定義：框筒和內(nèi)筒共同組成的結(jié)構(gòu)，一般內(nèi)筒常常做成鋼筋混凝土實(shí)腹筒。同時(shí)，內(nèi)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(jié)構(gòu)受力合理、經(jīng)濟(jì)，還可以滿(mǎn)足建筑使用要求，是建造50層以上高層建筑較好的結(jié)構(gòu)體系。框筒與筒中筒

10、結(jié)構(gòu)典型平面受力特點(diǎn)：內(nèi)筒與外筒協(xié)同工作，類(lèi)似于框架剪力墻的協(xié)同工作。外框筒側(cè)向變形沿高度分布具有剪切型變形特點(diǎn)，而內(nèi)實(shí)腹筒的側(cè)向變形具有彎曲型變形特點(diǎn)。內(nèi)筒與外筒之間通過(guò)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(nèi)力在上部和下部也趨于均勻?？蛲脖仨氉龀擅苤盍?，以減小剪力滯后，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)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(guò)建筑面積的50；三、框筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)：三、框筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)：框筒平面宜接近方形、圓形、矩形截面則要保證長(zhǎng)短邊的比值不宜超過(guò)2，否則在較長(zhǎng)的一邊，剪力滯后現(xiàn)象會(huì)比較嚴(yán)重，長(zhǎng)邊中

11、部的柱子不能充分利用；結(jié)構(gòu)總高度與寬度之比大于3時(shí)，才能充分發(fā)揮框筒作用，在矮而胖的結(jié)構(gòu)中不宜采用框筒或者筒中筒結(jié)構(gòu)體系；內(nèi)筒面積不宜過(guò)小，通常，內(nèi)筒邊長(zhǎng)為外筒邊長(zhǎng)的1/21/3 較為合理，一般情況下，內(nèi)、外筒之間不再設(shè)置柱子；筒中筒結(jié)構(gòu)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(nèi)、外筒通過(guò)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(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件。但是，樓板構(gòu)件（樓板、梁）的高度不宜太大，要盡量減小樓蓋構(gòu)件與柱子間的彎矩傳遞，有的筒中筒結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)傳力體系更加明確。內(nèi)、外筒間距一般為1012m；因?yàn)榱?、柱的彎矩主要在腹板框架和翼緣框架的平面?nèi)，框架平面外的柱彎矩較小，因此框筒結(jié)構(gòu)的柱截面宜做成正方形和扁矩形，也即矩形柱截面的長(zhǎng)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(shè)計(jì)時(shí)要注意增加四角的配筋以抵抗翹曲開(kāi)裂?？蛲布巴仓型步Y(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)介框筒及筒中筒結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)介框筒和筒中筒結(jié)構(gòu)都應(yīng)該按空間結(jié)構(gòu)分析其內(nèi)力以及位移。精確的空間計(jì)算工作量很大，在工程

13、應(yīng)用時(shí)都要做一些簡(jiǎn)化。由于簡(jiǎn)化的方法和程度不同，框筒和筒中筒結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法繁多，各有特點(diǎn)。框筒：將框筒的梁、柱簡(jiǎn)化為帶剛域桿件，按空間桿系方法求解，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。筒中筒：將外筒看成薄壁桿件，外筒與內(nèi)筒通過(guò)樓板連接協(xié)同工作。同時(shí)假定樓板為平面內(nèi)無(wú)限剛性板，忽略其平面外剛度，樓板的作用只是保證內(nèi)、外筒具有相同的水平位移，而樓板與筒之間無(wú)彎矩傳遞關(guān)系。本方法需要通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，是目前用得最多的方法。帶剛域框架計(jì)算簡(jiǎn)圖一、空間構(gòu)件有限元矩陣位移法一、空間構(gòu)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(gè)等效實(shí)腹筒，求出平板內(nèi)的豎向應(yīng)力后

14、再回復(fù)到梁、柱內(nèi)力。內(nèi)筒為實(shí)腹筒體，與外筒協(xié)同工作。通常通過(guò)彈性力學(xué)方法得到函數(shù)解，也可以通過(guò)程序計(jì)算。將外筒以及內(nèi)筒均沿高度劃分為豎向條帶，條帶的應(yīng)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(guò)求解位移函數(shù)得到應(yīng)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(jié)構(gòu)的空間分析中采用。外筒與內(nèi)筒也通過(guò)無(wú)限剛性樓板連接協(xié)同工作。也需要通過(guò)程序計(jì)算。帶剛域框架計(jì)算簡(jiǎn)圖三、有限條方法三、有限條方法四、平面結(jié)構(gòu)分析方法四、平面結(jié)構(gòu)分析方法矩形平面的框筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的分析可以簡(jiǎn)化成等效平面結(jié)構(gòu)，然后按平面結(jié)構(gòu)方法計(jì)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(duì)稱(chēng)軸的矩形平面框筒，將翼緣框架旋轉(zhuǎn)90度后，與腹板框架在同一平面內(nèi)，成為平面框架。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，可以建立出平面框架的計(jì)算簡(jiǎn)圖。腹板框架與一般平面框架類(lèi)似，承受框架平面內(nèi)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(nèi)力則主要是由于角柱的軸向變形產(chǎn)生。故由翼緣展開(kāi)后形成的平面框架計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖：框筒結(jié)構(gòu)翼緣展開(kāi)法1.翼緣展開(kāi)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(gè)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(gè)部分具有相同的軸向變形。如果框筒完全對(duì)稱(chēng)，可以取1/4框筒計(jì)算。此時(shí)，根據(jù)其變形特點(diǎn)選擇邊界約束，翼緣框架的中點(diǎn)（C）水平位移和彎矩為0，豎向有位移，因而選用滾動(dòng)支座。腹板框架中點(diǎn)（A）的豎向位移為0，但有彎曲以及水平位移，因而選用滾動(dòng)鉸支承節(jié)點(diǎn)。形的實(shí)腹內(nèi)筒可以分為兩個(gè)“”形的剪力墻，按照平面結(jié)構(gòu)計(jì)算，可與展開(kāi)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(jié)構(gòu)相同。 可以利用程序來(lái)進(jìn)行內(nèi)力以及位移分析，也可以利用該方法進(jìn)行大量計(jì)算后給出圖表曲線(xiàn)，以供初步設(shè)計(jì)時(shí)采用?？蛲步Y(jié)構(gòu)翼緣展開(kāi)法2.等代角柱法等代角柱法的基本思路與上述方法類(lèi)似，但是用一根等代角柱代替實(shí)際的角柱以及翼緣框架的作用，因而，框筒的計(jì)算簡(jiǎn)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(dān)的軸力之和，即：實(shí)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(gè)相等，可以得到： 稱(chēng)為等代系數(shù)，是通過(guò)下圖所示的翼緣框架計(jì)算得到的：框筒結(jié)構(gòu)等代角柱法在角柱上作用單位力，計(jì)算得到各柱所受的軸力，即可以得到 值。 值的影響