1、第第6 6章章 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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?。纾绺弑雀弑? 3 4 4）的裙梁構(gòu)成密柱深梁框架，布置在建筑物周圍的裙梁構(gòu)成密柱深梁框架，布置在建筑物周圍形成框筒形成框筒 框筒和實(shí)腹筒組成筒中筒框筒和實(shí)腹筒組成筒中筒 多個(gè)框筒排列組成束筒多個(gè)框筒排列組成束筒二、框筒結(jié)構(gòu)二、框筒結(jié)構(gòu)密柱深梁密柱深梁 2 2、受力變形特點(diǎn)：、受力變形特點(diǎn)：剪力滯后現(xiàn)象剪力滯后現(xiàn)象筒體最主要的受力特點(diǎn)是它的空間性能，在水平荷

2、載作用下，筒體最主要的受力特點(diǎn)是它的空間性能，在水平荷載作用下，筒體可視為下端固定、頂端自由的懸臂構(gòu)件。筒體可視為下端固定、頂端自由的懸臂構(gòu)件。 注：注：1 1）空間性能：按材料力學(xué)計(jì)算其應(yīng)力分布特點(diǎn)。）空間性能：按材料力學(xué)計(jì)算其應(yīng)力分布特點(diǎn)。 2 2）剪力滯后現(xiàn)象：剪力滯后現(xiàn)象：對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，在翼緣框架中，遠(yuǎn)離腹板框架的各柱軸力對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，在翼緣框架中，遠(yuǎn)離腹板框架的各柱軸力 愈來愈?。辉诟拱蹇蚣苤?，遠(yuǎn)離翼緣框架各柱軸力的遞減速度比按直線規(guī)律遞減的要快。愈來愈??；在腹板框架中，遠(yuǎn)離翼緣框架各柱軸力的遞減速度比按直線規(guī)律遞減的要快。上述現(xiàn)象稱為上述現(xiàn)象稱為剪力滯后剪力滯后。 實(shí)際應(yīng)力分布實(shí)際

3、應(yīng)力分布翼緣框架翼緣框架腹腹板板框框架架腹腹板板框框架架翼緣框架翼緣框架荷載作用方向荷載作用方向材料力學(xué)解答材料力學(xué)解答實(shí)際應(yīng)力分布實(shí)際應(yīng)力分布材料力學(xué)解答材料力學(xué)解答角柱處應(yīng)力較角柱處應(yīng)力較大大中部應(yīng)力較小中部應(yīng)力較小 框筒剪力滯后原因框筒剪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；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(nèi)的彎矩、剪力與軸翼緣框架的裙梁和柱都承受其平面內(nèi)的彎矩、剪力

4、與軸力。由于梁的變形力。由于梁的變形, ,使翼緣框架各柱壓縮變形向中心逐漸遞使翼緣框架各柱壓縮變形向中心逐漸遞減減, ,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(chǎn)生軸向拉力的剪力滯后現(xiàn)象。受拉翼緣框架也產(chǎn)生軸向拉力的剪力滯后現(xiàn)象。 翼緣框架的內(nèi)力和變形都在其平面內(nèi)（由于翼緣框架各柱和翼緣框架的內(nèi)力和變形都在其平面內(nèi)（由于翼緣框架各柱和裙梁內(nèi)力是由角柱傳來），腹板框架的內(nèi)力和變形也在其平面裙梁內(nèi)力是由角柱傳來），腹板框架的內(nèi)力和變形也在其平面內(nèi)，這使框筒在水平荷載作用下內(nèi)力分布形成內(nèi)，這使框筒在水平荷載作用下內(nèi)力分布形成“筒筒”的空間特的空間特性。性。3

5、 3、影響剪力滯后的因素、影響剪力滯后的因素 若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可結(jié)合設(shè)備層、若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可結(jié)合設(shè)備層、避免層避免層設(shè)置沿框筒周圈的環(huán)向桁架設(shè)置沿框筒周圈的環(huán)向桁架。由于環(huán)向桁架的剛度。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。大，可減小翼緣框架和腹板框架的剪力滯后。 柱距與裙梁的高度柱距與裙梁的高度 影響剪力滯后大小的主要因素是裙梁剪切剛度影響剪力滯后大小的主要因素是裙梁剪切剛度 與柱的軸向剛度與柱的軸向剛度 的比值。梁的剪切剛度越大，剪力的比值。梁的剪切剛度越大，剪力滯后越小。滯后越小。bb312EISl ccEASh 角柱面積角柱

6、面積 角柱越大，承受的軸力也越大，提高了角柱及相鄰柱的軸力，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(huì)越大。但角柱加大使它與中柱軸力差翼緣框架的抗傾覆力矩會(huì)越大。但角柱加大使它與中柱軸力差越大。越大?？蛲步Y(jié)構(gòu)高度框筒結(jié)構(gòu)高度 剪力滯后現(xiàn)象剪力滯后現(xiàn)象沿框筒高度是變化沿框筒高度是變化的，底部剪力滯后現(xiàn)象相對(duì)的，底部剪力滯后現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重一些，越向上柱軸力絕對(duì)值較小，剪力滯后現(xiàn)象緩和，軸嚴(yán)重一些，越向上柱軸力絕對(duì)值較小，剪力滯后現(xiàn)象緩和，軸力趨于平均。力趨于平均。 框筒結(jié)構(gòu)要達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨龋拍艹浞职l(fā)揮結(jié)構(gòu)的作用，高框筒結(jié)構(gòu)要達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨?，才能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的作用，

7、高度不大的框筒，剪力滯后影響相對(duì)較大。度不大的框筒，剪力滯后影響相對(duì)較大?？蛲财矫嫘螤羁蛲财矫嫘螤?翼緣框架越長，剪力滯后也越大，翼緣框架中部的柱子軸力翼緣框架越長，剪力滯后也越大，翼緣框架中部的柱子軸力會(huì)很小。會(huì)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、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(jié)構(gòu)最理想的平面形狀。正多邊形是框筒結(jié)構(gòu)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(yīng)，在長邊的中部加一道橫向密柱，可大大減小剪力滯后效應(yīng)，提高中柱的軸力提高中柱的軸力 束筒束筒三、三、框筒與實(shí)腹筒組合框筒與實(shí)腹筒組合-筒中筒結(jié)構(gòu)筒

8、中筒結(jié)構(gòu)外框筒外框筒+ +內(nèi)實(shí)腹筒內(nèi)實(shí)腹筒 筒中筒結(jié)構(gòu)（雙重抗側(cè)力體系）筒中筒結(jié)構(gòu)（雙重抗側(cè)力體系） 外框筒承受的剪力一般可達(dá)外框筒承受的剪力一般可達(dá)25%25%以上，傾覆力矩一般可達(dá)以上，傾覆力矩一般可達(dá)50%50%以上。以上?？蛲惨猿惺軆A覆力矩為主，內(nèi)筒承受大部分剪力框筒以承受傾覆力矩為主，內(nèi)筒承受大部分剪力。 框筒結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的協(xié)同工作，與框架框筒結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的協(xié)同工作，與框架剪力墻結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)類似。類似。實(shí)腹筒以彎曲變形為主實(shí)腹筒以彎曲變形為主，框筒剪切變形成分較大框筒剪切變形成分較大，框筒，框筒與實(shí)腹筒的協(xié)同工作使層間變形更加均勻。與實(shí)腹筒的協(xié)同工作使層間變形更加均勻。 框

9、筒布置在建筑周邊，使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度增大；框筒布置在建筑周邊，使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度增大； 筒中筒結(jié)構(gòu)是一種適用于超高層建筑的高效結(jié)構(gòu)體系筒中筒結(jié)構(gòu)是一種適用于超高層建筑的高效結(jié)構(gòu)體系1 1、筒體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配：、筒體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)外框筒外框筒內(nèi)墻筒內(nèi)墻筒內(nèi)內(nèi) 力力由柱或墻肢軸力形成的整體彎距由柱或墻肢軸力形成的整體彎距 由柱或墻肢彎矩所承擔(dān)的局部彎距由柱或墻肢彎矩所承擔(dān)的局部彎距水平剪力水平剪力深圳國際貿(mào)易中心大廈底層結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配深圳國際貿(mào)易中心大廈底層結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配50.4%40.3%2.7%6.6%27%73%v 筒中筒結(jié)構(gòu)中的筒中筒結(jié)構(gòu)中的實(shí)腹墻筒體實(shí)腹墻筒體具有很高的具有很高的抗剪抗

10、剪承載力；承載力；v 框筒結(jié)構(gòu)中由于框筒結(jié)構(gòu)中由于翼緣框架翼緣框架參加整體參加整體抗彎抗彎，因此框筒結(jié)構(gòu)具，因此框筒結(jié)構(gòu)具有很大的抗彎承載力；有很大的抗彎承載力； 1 1）、）、平面外形平面外形 研究表明，對(duì)正多邊形而言，邊數(shù)越多，剪力滯后現(xiàn)研究表明，對(duì)正多邊形而言，邊數(shù)越多，剪力滯后現(xiàn)象越不顯著，結(jié)構(gòu)的空間作用越大；反之，邊數(shù)越少，象越不顯著，結(jié)構(gòu)的空間作用越大；反之，邊數(shù)越少，結(jié)構(gòu)的空間作用越差。結(jié)構(gòu)的空間作用越差。 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ3-2010JGJ3-2010）規(guī)）規(guī)定：定：筒中筒結(jié)構(gòu)的平面外形宜選用圓形、正多邊形、橢筒中筒結(jié)構(gòu)的平面外形宜

11、選用圓形、正多邊形、橢圓形或矩形等，內(nèi)筒宜居中圓形或矩形等，內(nèi)筒宜居中。平面框筒的性能比較平面框筒的性能比較 假定假定5 5種外形（種外形（圓形、正六邊形、正方形、正三角形及矩圓形、正六邊形、正方形、正三角形及矩形（長寬比為形（長寬比為2 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 2、筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的受力影響因素、筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的受力影響因素平平 面面 形形 狀狀圓圓 形形正六邊形正六邊形正方形正方形正三角形正三角形矩形（長矩形（長寬比為寬比為2 2）水平荷載水平荷載相同相同 筒頂位移筒頂位移0.900.900.960.961.01.01.01

12、.01.721.72最不利柱最不利柱的軸向力的軸向力0.670.670.960.961.01.01.541.541.471.47基本風(fēng)壓基本風(fēng)壓相同相同 筒頂位移筒頂位移0.480.480.830.831.01.01,631,632.462.46最不利柱最不利柱的軸向力的軸向力0.350.350.830.831,01,02.532.532.692.69規(guī)則平面框筒性能比較規(guī)則平面框筒性能比較在相同水平荷載作用下，以圓形的側(cè)向剛度和受力性能最佳，在相同水平荷載作用下，以圓形的側(cè)向剛度和受力性能最佳，矩形最差；矩形最差；在相同基本風(fēng)壓作用下，在相同基本風(fēng)壓作用下，圓形平面圓形平面的風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)

13、荷載的風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)荷載最小最小，優(yōu)點(diǎn)更為明顯；，優(yōu)點(diǎn)更為明顯；矩形平面矩形平面相對(duì)相對(duì)更差更差，由于正方形和矩形，由于正方形和矩形平面的利用率較高，仍具有一定的實(shí)用性，但對(duì)矩形平面的長平面的利用率較高，仍具有一定的實(shí)用性，但對(duì)矩形平面的長寬比需要加以限制。寬比需要加以限制。 矩形的長寬比越接近矩形的長寬比越接近1，框筒翼緣框架角柱軸力，框筒翼緣框架角柱軸力 和中間柱和中間柱的軸力的軸力 比越小。一般而言，當(dāng)長寬比比越小。一般而言，當(dāng)長寬比L/B=1（即正方形）（即正方形）時(shí)，時(shí)， ；當(dāng)；當(dāng)L/B=2時(shí)，時(shí)， ；當(dāng)當(dāng)L/B=3時(shí)，此時(shí)時(shí)，此時(shí) ，中間柱已不能發(fā)揮作用，中間柱已不能發(fā)揮作用，說

14、明在設(shè)計(jì)筒中筒結(jié)構(gòu)中，矩形平面的說明在設(shè)計(jì)筒中筒結(jié)構(gòu)中，矩形平面的長寬比長寬比不宜大于不宜大于2。cNmNcmNN2.55cmNN69 cmNN10 平面不同長寬比時(shí)翼緣的軸力分布平面不同長寬比時(shí)翼緣的軸力分布 正三角形平面的結(jié)構(gòu)性能也較差，應(yīng)通過切角使其成為六正三角形平面的結(jié)構(gòu)性能也較差，應(yīng)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(jié)構(gòu)的空間作用。邊形來改善外框筒的剪力滯后現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)的空間作用。 外框筒的切角長度不宜小于相應(yīng)邊長的外框筒的切角長度不宜小于相應(yīng)邊長的1/81/8，其角部可設(shè)置，其角部可設(shè)置剛度較大的角柱或角筒；剛度較大的角柱或角筒； 內(nèi)筒的切角不宜小于相應(yīng)邊長的內(nèi)筒的切角不宜小于相應(yīng)邊長的1/101/10，切角處的筒壁宜適，切角處的筒壁宜適當(dāng)加厚當(dāng)加厚 。2 2）、高寬比）、高寬比 筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下，外筒框同樣存在剪力滯后現(xiàn)筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下，外筒框同樣存在剪力滯后現(xiàn)象，其程度直接影響外框筒的空間受力性能及其整體抗傾