第八章筒体结构设计

1第8章筒体结构设计2筒体结构具有造型美观，使用灵活，受力合理，以及整体性强等优点，适用于较高的高层建筑。筒体结构包括框筒、筒中筒、束筒结构以及框架一核心筒结构等，其中框架一核心筒结构虽然都有筒体，但是这种结构与框筒、筒中筒、束筒结构的组成和传力体系有很大区别，需要了解它们的异同，掌握不同的受力特点和设计要求。38.1框筒、筒中筒和束筒结构的布置框筒结构具有很大的抗侧移和抗扭刚度，又可增大内部空间的使用灵活性，对于高层建筑，框筒、筒中筒、束筒都是高效的抗侧力结构体系。（1）筒体结构的性能以正多边形为最佳，且边数越多性能越好，剪力滞后现象越不明显，结构的空间作用越大。结构平面布置应能充分发挥其空间整体作用。平面形状以采用圆形和正多边形,也可采用椭圆形或矩形等其他形状，当采用矩形平面时，其平面尺寸应尽量接近于正方形，长宽比不宜大于2。（2）筒体结构的高宽比不应小于3，并宜大于4，其适用高度不宜低于60m，以充分发挥筒体结构的作用；4（3）筒中筒结构中的外框筒宜做成密柱深梁，一般情况下，柱距为，不宜大于4；框筒梁的截面高度可取柱净距的1/4左右。开孔率是框筒结构的重要参数之一，框筒的开孔率不宜大于60%，且洞口高宽比宜尽量和层高与柱距之比相似。当矩形框筒的长宽比不大于2和墙面开洞率不大于50%时，外框筒的柱距可适当放宽。若密柱深梁的效果不足，可以沿结构高度，选择适当的楼层，设置整层高的环向桁架，以减小剪力滞后。（4）框筒结构的柱截面宜做成正方形、矩形或T形，筒体的角部是联系两个方向的结构协同工作的重要部位，受力很大，通常要采取措施予以加强；内筒角部通常可以采用局部加厚等措施加强；外筒可以加大角柱截面尺寸，采用L形、槽形角墙等予以加强，以承受较大的轴力，并减小压缩变形，通常角柱面积宜取中柱面积的1—2倍，角柱面积过大，会加大剪力滞后现象，使角柱产生过大的轴力，特别当重力荷载不足以抵消拉力时，角柱将承受拉力。5（5）筒中筒结构的内筒宜居中，面积不宜太小，其边长可为高度的1/12—1/15，也可为外筒边长的1/2—1/3，其高宽比一般约为12，不宜大于15；如有另外的角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸还可适当减小。内筒贯通建筑物的全高，竖向刚度宜均匀变化；内筒与外筒或外框架的中距，非抗震设计时宜大于12，抗震设计时宜大于10，宜采用预应力混凝土楼（屋）盖，必要时可增设内柱。（6）由于框筒结构柱距较小，在底层往往因设置出入通道而要求加大柱距，必须布置转换结构。转换结构的主要功能是将上部柱荷载传至下部大柱距的柱子上。一般内筒应—直贯通到基础底板。6（7）框筒结构中的楼盖构件(包括楼板和梁)的高度不宜太大，要尽量减小楼盖构件与柱子之间的弯矩传递，筒中筒结构的内外筒间距通常为10—12m，宜采用预应力楼盖。采用普通梁板体系时，楼面梁的布置方式一般沿内、外筒单向布置。外端与框筒柱一一对应；内端支承在内筒墙上，最好在平面外有墙相接，以增强内筒在支承处的出平面抵抗力；角区楼板的布置，宜使角柱承受较大竖向荷载，以平衡角柱中的拉力双向受力。788.2框架核心筒结构的布置框筒结构是目前高层建筑中广为应用的一种体系，它与筒中筒结构在平面形式上相似,但受力性能有很大区别。对由密柱深梁形成的框筒结构，由于空间作用，在水平荷载作用下其翼缘框架柱承受很大的轴力；当柱距加大，裙梁的跨高比加大时，剪力滞后加重，柱轴力将随着框架柱距的加大而减小，即对柱距较大的“稀柱筒体”，翼缘框架柱仍然会产生一些轴力，存在一定的空间作用。但当柱距增大到与普通框架相似时，除角柱外，其它柱的轴力将很小，由量变到质变，通常就可忽略沿翼缘框架传递轴力的作用，按平面结构进行分析。框架-核心筒结构，因为有实腹筒存在，《高层规程》将其归入筒体结构，但就其受力性能来说，框架-核心筒结构更接近于框架-剪力墙结构，与筒中筒结构有很大的区别。91011上图为筒中筒结构与框架-核心筒结构翼缘框架柱轴力的比较，由图可知，框架一核心筒的翼缘框架柱轴力小，柱数量又较少，翼缘框架承受的总轴力要比框筒小得多，轴力形成的抗倾覆力矩也小得多；框架-核心筒结构主要是由①、④轴两片框架(腹板框架)和实腹筒协同工作抵抗侧力，角柱作为①、④轴两片框架的边柱而轴力较大；从①、④轴框架抗侧刚度和抗弯、抗剪能力看，也比框筒的腹板框架小得多。因此框架一核心筒结构抗侧刚度小得多。12两个结构顶点位移与结构基本自振周期的比较表明，与筒中筒结构相比，框架一核心筒结构的自振周期长，顶点位移及层间位移都大，说明框架一核心筒结构的抗侧刚度远小于筒中筒结构。13下表给出了筒中筒结构与框架-核心筒结构的内力分配比例。由表可知，框架一核心筒结构的实腹筒承受的剪力占总剪力的80.6%，倾覆力矩占73.6%，比筒中筒的实腹筒承受的剪力和倾覆力矩所占比例都大；筒中筒结构的外框筒承受的倾覆力矩占66%，而框架一核心筒结构中，外框架承受的倾覆力矩仅占26.4%。上述比较说明，框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分，而筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主。1415楼板是平板的框架一核心筒结构，基本不传递弯矩和剪力，翼缘框架中间两根柱子的轴力是通过角柱传过来的，轴力不大。提高中间柱子的轴力、从而提高其抗倾覆力矩能力的方法之一是在楼板中设置连接外柱与内筒的大梁，如上图所示，所加大梁使②、③轴形成带有剪力墙的框架。平板与梁板两种布置的框架一核心筒翼缘框架所受轴力的比较表明，采用平板体系的框架一核心筒结构中．翼缘框架中间柱的轴力很小，而采用梁板体系的框架一核心筒结构中，翼缘框架②、③轴柱的轴力反而比角柱更大；在这种体系中，主要抗侧力单元与荷载方向平行，其中②、③轴框架一剪力墙的抗侧刚度大大超过①、④轴框架，它们边柱的轴力也相应增大。也就是说，设置楼板大梁的框架一核心筒结构传力体系与框架一剪力墙结构类似。16下表给出了有、无楼板大梁时，框架-核心筒结构抗侧刚度和内力分配的比较，由表可知，在楼板中增加大梁后增加了结构的抗侧刚度，周期缩短，顶点位移和层间位移减小。由于翼缘框架柱承受了较大的轴力，周边框架承受的倾覆力矩加大，核心筒承受的倾覆力矩减少；由于大梁使核心筒反弯，核心筒承受的剪力略有增加，而周边框架承受的剪力反而减少了。17在采用平板楼盖时，框架虽然也具有空间作用，而使翼缘框架柱产生轴力，但是柱数量少，轴力也小，远远不能达到周边框筒所起的作用。增加楼板大梁可使翼缘框架中间柱的轴力提高，从而充分发挥周边柱的作用，但是当周边柱与内筒相距较远时，楼板大梁的跨度大，梁高较大，为了保持楼层的净空，层高要加大，对于高层建筑而言，这是不经济的，为此另外一种可选择的充分发挥周边柱作用的方案是采用框架一核心筒一伸臂结构。188.2.2框架-核心筒结构的布置框架-核心筒结构是目前高层建筑中应用最为广泛的一种结构体系，可以做成钢筋混凝土结构、钢结构或混合结构，可以在一般的高层建筑中应用，也可以在超高层建筑中应用。在钢筋混凝土框架-核心筒结构中，外框架由钢筋混凝土梁和柱组成，核心筒采用钢筋混凝土实腹筒；在钢结构中，外框架由钢梁、钢柱组成，内部采用有支撑的钢框架筒。由于框架-核心筒结构的柱数量少，内力大，通常柱的截面都很大，为减小柱截面，常采用钢或钢骨混凝土、钢管混凝土等构件做成框架的柱和梁，与钢筋混凝土或钢骨混凝土实腹筒结合，就形成了混合结构。19框架-核心筒结构的布置除须符合高层建筑的一般布置原则外，还应遵循以下原则。(1)核心筒是框架-核心筒结构中的主要抗侧力部分，承载力和延性要求都应更高，抗震时要采取提高延性的各种构造措施。核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于筒体总高的1/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。(2)核心筒应具有良好的整体性，墙肢宜均匀、对称布置；筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度；抗震设计时，核心筒的连梁，宜通过配置交叉暗撑、设水平缝或减小梁截面的高宽比等措施来提高连梁的延性。在核心筒延性要求较高的情况下，可采用钢骨混凝土核心筒，即在纵横墙相交的地方设置竖向钢骨，在楼板标高设置钢骨暗梁，钢骨形成的钢框架可以提高核心筒的承载力和抗震性能。20(3)框架-核心筒结构的周边柱间必须设置框架梁。框架-核心筒结构对形状没有限制，框架柱距大，布置灵活，有利于建筑立面多样化。结构平面布置尽可能规则、对称，以减小扭转影响，质量分布宜均匀，内筒尽可能居中；核心筒与外柱之间距离一般以l0—12m为宜，如果距离很大，则需要另设内柱，或采用预应力混凝土楼盖，否则楼层梁太大，不利于减小层高。沿竖向结构刚度应连续，避免刚度突变。(4)框架-核心筒结构内力分配的特点是框架承受的剪力和倾覆力矩都较小。抗震设计时，为实现双重抗侧力结构体系，对钢筋混凝土框架-核心筒结构，要求外框架构件的截面不宜过小，框架承担的剪力和弯矩需进行调整增大；对钢-混凝土混合结构，要求外框架承受的层剪力应达到总层剪力的(20—25％)。21(5)非地震区的抗风结构采用伸臂加强结构抗侧刚度是有利的，抗震结构则应进行仔细的方案比较，不设伸臂就能满足侧移要求时就不必设置伸臂，必须设置伸臂时，必须处理好框架柱与核心筒的内力突变，要避免柱出塑性铰或剪力墙破坏等形成薄弱层的潜在危险。(6)框架-核心筒结构的楼盖，宜选用结构高度小、整体性强、结构自重轻及有利于施工的楼盖结构形式。因此，宜选用现浇梁板式楼板，也可选用密肋式楼板、无粘结预应力混凝土平板，以及预制预应力薄板加现浇层的叠合楼板。当内筒与外框架的中距大于8m时，应优先采用无粘结预应力混凝土楼盖。228.3筒体结构的受力与变形特点具有较大的抗弯刚度EI，它比单片剪力墙的抗弯刚度要大得多。在水平荷载作用下，腹板墙体主要承担水平剪力，翼缘墙体承担弯矩。由于翼缘墙体有较大的截面抗拉、抗压，力臂接近于墙间距离B。理想拉压应力分布23

筒体结构的受力与变形特点框筒的受力特点（空间整体受力）——剪力滞后剪力——腹板框架（通常内筒承担大部分）弯矩——翼缘框架（外筒大）变形特点——剪弯型实腹筒体——箱形梁对于宽度较大的箱形梁，正应力两边大、中间小的不均匀现象——剪力滞后剪力滞后与梁宽、荷载、弹性模量及侧板和翼缘的相对刚度等因素有关24剪力滞后影响因素及规律窗裙梁剪切刚度与柱轴向刚度比比值越大，剪力滞后越小框筒平面形状：翼缘框架越长，剪力滞后越大所处高度：底部大，顶部小（负）25筒体结构内力和位移的计算方法空间杆系-薄壁柱矩阵位移法等效槽形截面估算法等代角柱法图表法平面展开矩阵位移法（翼缘展开法）等效弹性连续体能量法有限条法26筒体结构构件截面设计外框筒柱：角柱和弯矩较大柱——双向偏压其它柱——框架平面单向偏压窗裙梁按连梁计算l/h<1时，可交叉斜筋、水平开缝核心筒剪力墙墙肢（同剪力墙结构）正截面：宜考虑翼缘斜截面：不考虑翼缘连梁（同剪力墙结构）27其他结构形式设计概要28高层钢－混凝土组合结构钢结构钢