框筒結(jié)構(gòu)體系

1、對(duì)框筒結(jié)構(gòu)體系的分析摘要：框筒結(jié)構(gòu)是高層建筑中一種較為高效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系，具有較高的抗側(cè)移剛度，被廣泛應(yīng)用于超高層建筑。但是框筒結(jié)構(gòu)空間受力情況復(fù)雜，因此必須根據(jù)建筑功能和建筑環(huán)境來(lái)確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案。文章重點(diǎn)研究框筒結(jié)構(gòu)體系中外框筒的受力性能以及結(jié)構(gòu)計(jì)算方法兩方面內(nèi)容，并提出一些關(guān)于設(shè)計(jì)的合理建議。關(guān)鍵詞：框筒結(jié)構(gòu)；密柱深梁；剪力滯后;結(jié)構(gòu)計(jì)算近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,己建成和將要建成的超高層建筑日益增多，同時(shí)建筑又朝著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，也為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。框筒結(jié)構(gòu)體系作為一種新型空間結(jié)構(gòu)體系，外筒是由密柱框架組成的框架筒，內(nèi)筒是混凝土剪力墻筒體組成

2、的結(jié)構(gòu)，具有很大的抗側(cè)移和抗扭剛度，又可增大內(nèi)部空間的使用靈活性，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑，能夠較為有效的解決此類(lèi)問(wèn)題，故被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中。1框筒結(jié)構(gòu)的受力性能、工作特點(diǎn)1.1剪力滯后效應(yīng)框筒結(jié)構(gòu)體系的外筒是由密柱框架組成的框架筒，內(nèi)筒是混凝土剪力墻筒體組成的結(jié)構(gòu)。理想筒體在水平力的作用下，復(fù)變應(yīng)力直線(xiàn)分布，翼緣應(yīng)力相等。而實(shí)際框筒的腹板框架軸力呈曲線(xiàn)分布，翼緣框架軸力也不相等。在水平力作用下，外框筒部分的水平剪力主要由腹板框架來(lái)承擔(dān)，外框筒部分的傾覆力矩由翼緣框架與腹板框架來(lái)共同承擔(dān)。翼緣框架中橫梁的彎曲和剪切變形，使得翼緣框架各柱

3、軸力向中心中間遞減，即將框筒結(jié)構(gòu)中應(yīng)力不保持直線(xiàn)分布的現(xiàn)象稱(chēng)為剪力滯后現(xiàn)象。框筒結(jié)構(gòu)中外框筒部分的受力特性介于理想筒體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)之間。盡管框筒結(jié)構(gòu)中外圍裙梁的高跨比較框架結(jié)構(gòu)大很多，但裙梁與實(shí)腹筒相比較，其豎向彎剪剛度仍較小，使裙梁仍具有框的柔性特征，其在抵抗傾覆力矩時(shí)，水平截面的豎向應(yīng)變不再符合平截面假定，故在剪力傳遞上存在滯后現(xiàn)象，致使角部框柱軸力明顯增大，各柱軸向應(yīng)力分布呈曲線(xiàn)形。剪力滯后的特點(diǎn)：（1）剪力滯后引起的柱軸力分布不均勻沿框筒高度也是變化的。（2）剪力滯后導(dǎo)致遠(yuǎn)離腳柱的柱子不能充分發(fā)揮作用，腳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?？蛲?/p>

4、結(jié)構(gòu)體系中外框筒的空間作用大小是影響“剪力滯后”效應(yīng)大小的關(guān)鍵，外框筒空間作用大小主要與角柱的截面面積、裙梁的跨高比、主體結(jié)構(gòu)的高寬比、主體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比有關(guān)。減少剪力滯后的主要措施：縮小柱間距，加大梁高，形成“密柱深梁”框筒結(jié)構(gòu)將“密柱深梁”布置在建筑物外圍，即可以充分利用材料的軸向承載力，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)部空間的使用靈活性，是經(jīng)濟(jì)而高效的一種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。腳柱對(duì)框筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和整體抗扭具有十分重要的作用。在側(cè)向力作用下，腳柱內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因此應(yīng)使腳柱具有較大的截面面積和剛度，有時(shí)要在腳柱位置上布置實(shí)腹筒（或稱(chēng)為角筒）。1.2框筒結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)（1）筒體結(jié)構(gòu)的

5、性能以正多邊形為最佳，且邊數(shù)越多性能越好，剪力滯后現(xiàn)象越不明顯，結(jié)構(gòu)的空間作用越大。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)能充分發(fā)揮其空間整體作用。平面形狀以采用圓形和正多邊形，也可采用橢圓形或矩形等其他形狀，當(dāng)采用矩形平面時(shí)，其平面尺寸應(yīng)盡量接近于正方形，長(zhǎng)寬比不宜大于2。（2）筒體結(jié)構(gòu)的高寬比不應(yīng)小于3,并宜大于4,其適用高度不宜低于60m,以充分發(fā)揮筒體結(jié)構(gòu)的作用；（3）框筒梁的截面高度可取柱凈距的1/4左右。開(kāi)孔率是框筒結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，框筒的開(kāi)孔率不宜大于60%，且洞口高寬比宜盡量和層高與柱距之比相似。當(dāng)矩形框筒的長(zhǎng)寬比不大于2和墻面開(kāi)洞率不大于50%時(shí)，外框筒的柱距可適當(dāng)放寬。若密柱深梁的效果不足，可以

6、沿結(jié)構(gòu)高度，選擇適當(dāng)?shù)臉菍?，設(shè)置整層高的環(huán)向桁架，以減小剪力滯后。（4）框筒結(jié)構(gòu)的柱截面宜做成正方形、矩形或T形，筒體的角部是聯(lián)系兩個(gè)方向的結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的重要部位，受力很大，通常要采取措施予以加強(qiáng)；內(nèi)筒角部通?？梢圆捎镁植考雍竦却胧┘訌?qiáng)；外筒可以加大角柱截面尺寸，采用L形、槽形角墻等予以加強(qiáng)，以承受較大的軸力，并減小壓縮變形，通常角柱面積宜取中柱面積的1一2倍，角柱面積過(guò)大，會(huì)加大剪力滯后現(xiàn)象，使角柱產(chǎn)生過(guò)大的軸力，特別當(dāng)重力荷載不足以抵消拉力時(shí)，角柱將承受拉力。（5）由于框筒結(jié)構(gòu)柱距較小，在底層往往因設(shè)置出入通道而要求加大柱距，必須布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的主要功能是將上部柱荷載傳至下部大柱距

7、的柱子上。為擴(kuò)大底層柱距，減少底層柱子數(shù)量，常用巨大的拱、梁或桁架等支撐上部的柱子。一般內(nèi)筒應(yīng)一直貫通到基礎(chǔ)底板。2結(jié)構(gòu)計(jì)算框筒結(jié)構(gòu)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，框筒結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法繁多，各有特色。2.1空間構(gòu)件有限元矩陣位移法將框筒的梁、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。本方法需要通過(guò)計(jì)算機(jī)程序，是目前用的最多的方法。2.2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)等效腹筒，求出平板內(nèi)的豎向應(yīng)力后再回復(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

8、性力學(xué)方法得到函數(shù)解，也可以通過(guò)程序計(jì)算。2.3有限條方法將外筒以及內(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。2.4翼緣展開(kāi)法如上圖所示，具有對(duì)稱(chēng)軸的矩形平面框架聯(lián)系，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

9、與內(nèi)力則主要是由于角柱的軸向變形產(chǎn)生。將角柱一分為二，一部分屬于腹板框架，另一部分屬于翼緣框架，兩者之間用一個(gè)虛擬的剛性剪切梁連接，該梁的剪切剛度變大，彎曲剛度以及軸向剛度都很小，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)，可以去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,豎向由位移，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)鉸支撐節(jié)點(diǎn)?？梢岳贸绦騺?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)算后給出圖標(biāo)曲線(xiàn)，以供初步設(shè)計(jì)時(shí)采用。3結(jié)論框筒結(jié)構(gòu)因其良好的水平抗側(cè)能力、整體空間工作性