第八章筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1第8章筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2筒體結(jié)構(gòu)具有造型美觀，使用靈活，受力合理，以及整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于較高的高層建筑。筒體結(jié)構(gòu)包括框筒、筒中筒、束筒結(jié)構(gòu)以及框架一核心筒結(jié)構(gòu)等，其中框架一核心筒結(jié)構(gòu)雖然都有筒體，但是這種結(jié)構(gòu)與框筒、筒中筒、束筒結(jié)構(gòu)的組成和傳力體系有很大區(qū)別，需要了解它們的異同，掌握不同的受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。38.1框筒、筒中筒和束筒結(jié)構(gòu)的布置框筒結(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，對于高層建筑，框筒、筒中筒、束筒都是高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。（1）筒體結(jié)構(gòu)的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，其平面尺寸應(yīng)盡量接近于正方形，長寬比不宜大于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；4（3）筒中筒結(jié)構(gòu)中的外框筒宜做成密柱深梁，一般情況下，柱距為，不宜大于4；框筒梁的截面高度可取柱凈距的1/4左右。開孔率是框筒結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，框筒的開孔率不宜大于60%，且洞口高寬比宜盡量和層高與柱距之比相似。當(dāng)矩形框筒的長寬比不大于2和墻面開洞率不大于50%時，外框筒的柱距可適當(dāng)放寬。若密柱深梁的效果不足，可以沿結(jié)構(gòu)高度，選擇適當(dāng)?shù)臉菍樱O(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—2倍，角柱面積過大，會加大剪力滯后現(xiàn)象，使角柱產(chǎn)生過大的軸力，特別當(dāng)重力荷載不足以抵消拉力時，角柱將承受拉力。5（5）筒中筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒宜居中，面積不宜太小，其邊長可為高度的1/12—1/15，也可為外筒邊長的1/2—1/3，其高寬比一般約為12，不宜大于15；如有另外的角筒或剪力墻時，內(nèi)筒平面尺寸還可適當(dāng)減小。內(nèi)筒貫通建筑物的全高，豎向剛度宜均勻變化；內(nèi)筒與外筒或外框架的中距，非抗震設(shè)計(jì)時宜大于12，抗震設(shè)計(jì)時宜大于10，宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土樓（屋）蓋，必要時可增設(shè)內(nèi)柱。（6）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的柱子上。一般內(nèi)筒應(yīng)—直貫通到基礎(chǔ)底板。6（7）框筒結(jié)構(gòu)中的樓蓋構(gòu)件(包括樓板和梁)的高度不宜太大，要盡量減小樓蓋構(gòu)件與柱子之間的彎矩傳遞，筒中筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)外筒間距通常為10—12m，宜采用預(yù)應(yīng)力樓蓋。采用普通梁板體系時，樓面梁的布置方式一般沿內(nèi)、外筒單向布置。外端與框筒柱一一對應(yīng)；內(nèi)端支承在內(nèi)筒墻上，最好在平面外有墻相接，以增強(qiáng)內(nèi)筒在支承處的出平面抵抗力；角區(qū)樓板的布置，宜使角柱承受較大豎向荷載，以平衡角柱中的拉力雙向受力。788.2框架核心筒結(jié)構(gòu)的布置框筒結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中廣為應(yīng)用的一種體系，它與筒中筒結(jié)構(gòu)在平面形式上相似,但受力性能有很大區(qū)別。對由密柱深梁形成的框筒結(jié)構(gòu)，由于空間作用，在水平荷載作用下其翼緣框架柱承受很大的軸力；當(dāng)柱距加大，裙梁的跨高比加大時，剪力滯后加重，柱軸力將隨著框架柱距的加大而減小，即對柱距較大的“稀柱筒體”，翼緣框架柱仍然會產(chǎn)生一些軸力，存在一定的空間作用。但當(dāng)柱距增大到與普通框架相似時，除角柱外，其它柱的軸力將很小，由量變到質(zhì)變，通常就可忽略沿翼緣框架傳遞軸力的作用，按平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛袑?shí)腹筒存在，《高層規(guī)程》將其歸入筒體結(jié)構(gòu)，但就其受力性能來說，框架-核心筒結(jié)構(gòu)更接近于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，與筒中筒結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。91011上圖為筒中筒結(jié)構(gòu)與框架-核心筒結(jié)構(gòu)翼緣框架柱軸力的比較，由圖可知，框架一核心筒的翼緣框架柱軸力小，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；框架-核心筒結(jié)構(gòu)主要是由①、④軸兩片框架(腹板框架)和實(shí)腹筒協(xié)同工作抵抗側(cè)力，角柱作為①、④軸兩片框架的邊柱而軸力較大；從①、④軸框架抗側(cè)剛度和抗彎、抗剪能力看，也比框筒的腹板框架小得多。因此框架一核心筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小得多。12兩個結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與結(jié)構(gòu)基本自振周期的比較表明，與筒中筒結(jié)構(gòu)相比，框架一核心筒結(jié)構(gòu)的自振周期長，頂點(diǎn)位移及層間位移都大，說明框架一核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)小于筒中筒結(jié)構(gòu)。13下表給出了筒中筒結(jié)構(gòu)與框架-核心筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配比例。由表可知，框架一核心筒結(jié)構(gòu)的實(shí)腹筒承受的剪力占總剪力的80.6%，傾覆力矩占73.6%，比筒中筒的實(shí)腹筒承受的剪力和傾覆力矩所占比例都大；筒中筒結(jié)構(gòu)的外框筒承受的傾覆力矩占66%，而框架一核心筒結(jié)構(gòu)中，外框架承受的傾覆力矩僅占26.4%。上述比較說明，框架一核心筒結(jié)構(gòu)中實(shí)腹筒成為主要抗側(cè)力部分，而筒中筒結(jié)構(gòu)中抵抗剪力以實(shí)腹筒為主，抵抗傾覆力矩則以外框筒為主。1415樓板是平板的框架一核心筒結(jié)構(gòu)，基本不傳遞彎矩和剪力，翼緣框架中間兩根柱子的軸力是通過角柱傳過來的，軸力不大。提高中間柱子的軸力、從而提高其抗傾覆力矩能力的方法之一是在樓板中設(shè)置連接外柱與內(nèi)筒的大梁，如上圖所示，所加大梁使②、③軸形成帶有剪力墻的框架。平板與梁板兩種布置的框架一核心筒翼緣框架所受軸力的比較表明，采用平板體系的框架一核心筒結(jié)構(gòu)中．翼緣框架中間柱的軸力很小，而采用梁板體系的框架一核心筒結(jié)構(gòu)中，翼緣框架②、③軸柱的軸力反而比角柱更大；在這種體系中，主要抗側(cè)力單元與荷載方向平行，其中②、③軸框架一剪力墻的抗側(cè)剛度大大超過①、④軸框架，它們邊柱的軸力也相應(yīng)增大。也就是說，設(shè)置樓板大梁的框架一核心筒結(jié)構(gòu)傳力體系與框架一剪力墻結(jié)構(gòu)類似。16下表給出了有、無樓板大梁時，框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和內(nèi)力分配的比較，由表可知，在樓板中增加大梁后增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，周期縮短，頂點(diǎn)位移和層間位移減小。由于翼緣框架柱承受了較大的軸力，周邊框架承受的傾覆力矩加大，核心筒承受的傾覆力矩減少；由于大梁使核心筒反彎，核心筒承受的剪力略有增加，而周邊框架承受的剪力反而減少了。17在采用平板樓蓋時，框架雖然也具有空間作用，而使翼緣框架柱產(chǎn)生軸力，但是柱數(shù)量少，軸力也小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到周邊框筒所起的作用。增加樓板大梁可使翼緣框架中間柱的軸力提高，從而充分發(fā)揮周邊柱的作用，但是當(dāng)周邊柱與內(nèi)筒相距較遠(yuǎn)時，樓板大梁的跨度大，梁高較大，為了保持樓層的凈空，層高要加大，對于高層建筑而言，這是不經(jīng)濟(jì)的，為此另外一種可選擇的充分發(fā)揮周邊柱作用的方案是采用框架一核心筒一伸臂結(jié)構(gòu)。188.2.2框架-核心筒結(jié)構(gòu)的布置框架-核心筒結(jié)構(gòu)是目前高層建筑中應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)體系，可以做成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)，可以在一般的高層建筑中應(yīng)用，也可以在超高層建筑中應(yīng)用。在鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，外框架由鋼筋混凝土梁和柱組成，核心筒采用鋼筋混凝土實(shí)腹筒；在鋼結(jié)構(gòu)中，外框架由鋼梁、鋼柱組成，內(nèi)部采用有支撐的鋼框架筒。由于框架-核心筒結(jié)構(gòu)的柱數(shù)量少，內(nèi)力大，通常柱的截面都很大，為減小柱截面，常采用鋼或鋼骨混凝土、鋼管混凝土等構(gòu)件做成框架的柱和梁，與鋼筋混凝土或鋼骨混凝土實(shí)腹筒結(jié)合，就形成了混合結(jié)構(gòu)。19框架-核心筒結(jié)構(gòu)的布置除須符合高層建筑的一般布置原則外，還應(yīng)遵循以下原則。(1)核心筒是框架-核心筒結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)力部分，承載力和延性要求都應(yīng)更高，抗震時要采取提高延性的各種構(gòu)造措施。核心筒宜貫通建筑物全高。核心筒的寬度不宜小于筒體總高的1/12，當(dāng)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)置角筒、剪力墻或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件時，核心筒的寬度可適當(dāng)減小。(2)核心筒應(yīng)具有良好的整體性，墻肢宜均勻、對稱布置；筒體角部附近不宜開洞，當(dāng)不可避免時，筒角內(nèi)壁至洞口的距離不應(yīng)小于500mm和開洞墻的截面厚度；抗震設(shè)計(jì)時，核心筒的連梁，宜通過配置交叉暗撐、設(shè)水平縫或減小梁截面的高寬比等措施來提高連梁的延性。在核心筒延性要求較高的情況下，可采用鋼骨混凝土核心筒，即在縱橫墻相交的地方設(shè)置豎向鋼骨，在樓板標(biāo)高設(shè)置鋼骨暗梁，鋼骨形成的鋼框架可以提高核心筒的承載力和抗震性能。20(3)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的周邊柱間必須設(shè)置框架梁?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)對形狀沒有限制，框架柱距大，布置靈活，有利于建筑立面多樣化。結(jié)構(gòu)平面布置盡可能規(guī)則、對稱，以減小扭轉(zhuǎn)影響，質(zhì)量分布宜均勻，內(nèi)筒盡可能居中；核心筒與外柱之間距離一般以l0—12m為宜，如果距離很大，則需要另設(shè)內(nèi)柱，或采用預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋，否則樓層梁太大，不利于減小層高。沿豎向結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)連續(xù)，避免剛度突變。(4)框架-核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的特點(diǎn)是框架承受的剪力和傾覆力矩都較小。抗震設(shè)計(jì)時，為實(shí)現(xiàn)雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，對鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，要求外框架構(gòu)件的截面不宜過小，框架承擔(dān)的剪力和彎矩需進(jìn)行調(diào)整增大；對鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，要求外框架承受的層剪力應(yīng)達(dá)到總層剪力的(20—25％)。21(5)非地震區(qū)的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)采用伸臂加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度是有利的，抗震結(jié)構(gòu)則應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的方案比較，不設(shè)伸臂就能滿足側(cè)移要求時就不必設(shè)置伸臂，必須設(shè)置伸臂時，必須處理好框架柱與核心筒的內(nèi)力突變，要避免柱出塑性鉸或剪力墻破壞等形成薄弱層的潛在危險(xiǎn)。(6)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的樓蓋，宜選用結(jié)構(gòu)高度小、整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)自重輕及有利于施工的樓蓋結(jié)構(gòu)形式。因此，宜選用現(xiàn)澆梁板式樓板，也可選用密肋式樓板、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土平板，以及預(yù)制預(yù)應(yīng)力薄板加現(xiàn)澆層的疊合樓板。當(dāng)內(nèi)筒與外框架的中距大于8m時，應(yīng)優(yōu)先采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋。228.3筒體結(jié)構(gòu)的受力與變形特點(diǎn)具有較大的抗彎剛度EI，它比單片剪力墻的抗彎剛度要大得多。在水平荷載作用下，腹板墻體主要承擔(dān)水平剪力，翼緣墻體承擔(dān)彎矩。由于翼緣墻體有較大的截面抗拉、抗壓，力臂接近于墻間距離B。理想拉壓應(yīng)力分布23

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)——剪彎型實(shí)腹筒體——箱形梁對于寬度較大的箱形梁，正應(yīng)力兩邊大、中間小的不均勻現(xiàn)象——剪力滯后剪力滯后與梁寬、荷載、彈性模量及側(cè)板和翼緣的相對剛度等因素有關(guān)24剪力滯后影響因素及規(guī)律窗裙梁剪切剛度與柱軸向剛度比比值越大，剪力滯后越小框筒平面形狀：翼緣框架越長，剪力滯后越大所處高度：底部大，頂部小（負(fù)）25筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算方法空間桿系-薄壁柱矩陣位移法等效槽形截面估算法等代角柱法圖表法平面展開矩陣位移法（翼緣展開法）等效彈性連續(xù)體能量法有限條法26筒體結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)外框筒柱：角柱和彎矩較大柱——雙向偏壓其它柱——框架平面單向偏壓窗裙梁按連梁計(jì)算l/h<1時，可交叉斜筋、水平開縫核心筒剪力墻墻肢（同剪力墻結(jié)構(gòu)）正截面：宜考慮翼緣斜截面：不考慮翼緣連梁（同剪力墻結(jié)構(gòu)）27其他結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)概要28高層鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼