混凝土建筑结构 (78).pdf

4-28 筒体结构14.7.1 筒体结构的布置1.定义由若干纵横交接的剪力墙集中到房屋内部或外部形成封闭筒体，以此来承受房屋大部分或全部竖向荷载和水平荷载所组成的结构体系称为筒体结构体系。14.7.1 筒体结构的布置窗孔立柱裙梁电梯间核心筒（实腹筒）核心筒（实腹筒）框筒结构（空腹筒）框筒结构（空腹筒）14.7.1 筒体结构的布置变形特征2对于实腹筒体 当高宽比大于4时，侧移以弯曲变形为主，位移曲线呈弯曲型；当高宽比介于14之间时，侧向位移曲线介于剪切型与弯曲型之间。当高宽比小于1时，侧移以剪切变形为主，位移曲线呈剪切型；14.7.1 筒体结构的布置筒体结构体系的适用范围3筒体结构的空间结构有很大的抗侧力刚度和抗扭能力，同时剪力墙集中布置使建筑平面设计具有很大的灵活性，因此主要用于各种高层和超高层公共建筑。美国的汉考克大楼、西尔斯大楼、芝加哥标准石油公司大楼和纽约世界贸易中心大楼等结构都是筒体结构体系。如14.7.1 筒体结构的布置约翰汉考克中心约翰汉考克中心 约翰汉考克中心约翰汉考克中心(John Hancock Center)位于美国伊利诺伊州芝加哥，昵称为大约翰（BigJohn），楼高343.5米(1,127英尺)，加上天线更高达457.2米，地上100层，总楼面面积260,126平方米，由SOM建筑设计事务所设计，开工于1965年，完工于1969年，是当时纽约之外全世界最高的摩天大楼。约翰汉考克中心是现在芝加哥第3高和美国第4高的大楼，是由结构工程师法兹勒汗(Fazlur Khan)所设计。在大楼的94楼设有观景台，95楼设有餐厅，能饱览芝加哥和密西根湖的景色。44楼设有一个全美国最高的室内游泳池。14.7.1 筒体结构的布置美国Sears大厦美国Sears大厦 尔斯大厦(Sears Tower)是位于美国伊利诺伊州芝加哥的一幢摩天大楼，用作办公楼，SOM建筑设计事务所为当时世界上最大的零售商西尔斯百货公司设计。楼高442.3米，共地上108层，地下3层，总建筑面积418000平方米，底部平面68.768.7米,由9个22.9米见方的正方形组成。希尔斯大厦在1974年落成时曾一度是世界上最高的大楼，它保持了世界上最高建筑物的纪录25年。14.7.1 筒体结构的布置筒体结构体系的类型4框架筒体结构框架筒体结构筒中筒结构筒中筒结构组合筒体结构组合筒体结构14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1将框架-剪力墙结构中的剪力墙相对集中组成封闭的筒体，竖向荷载主要由框架和筒体共同承担，水平荷载主要由筒体承担，就形成了框架-筒体结构。概念变形特点变形特点框架-筒体结构的受力性能类似于框架-剪力墙结构，水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型，但前者的刚度远大于后者。14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1框架-筒体结构有框架-实腹筒体结构和框架-空腹筒体结构两种形式。类型 框架-实腹筒体结构 框架-实腹筒体结构由中央剪力墙核心筒和周边外框架组成的结构称为框架-实腹筒体结构 框架-空腹筒体结构 框架-空腹筒体结构中央为内框架，周边由间距较密的柱子与每层楼层处的深肩梁刚性连接在一起组成矩形网络的外筒体称为框架-空腹筒体结构框架筒体结构的布置类似于框架剪力墙结构14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1适用范围适用范围框架-筒体结构常用于50层左右的高层建筑中，最高可建到100层14.7.1 筒体结构的布置筒中筒结构4.2由中央剪力墙内筒和周边外框筒组成的结构称为筒中筒结构。内筒可布置服务设施，外筒则可安装立面玻璃幕墙。14.7.1 筒体结构的布置筒中筒结构布置：筒体结构平面形式选用方形、圆形为好，也可用对称的三角形或人字形平面。当采用矩形平面时，长宽比不宜大于2。外框筒密柱间距一般为1.23m。平面四角处的柱子截面做成L形或八字形，截面尺寸加大23倍。内筒边长尺寸一般是外筒边长的1/3为好。在框筒顶部设置12层高的刚性环梁，以提高整体框筒的空间整体性。筒中筒结构的高宽比宜大于3，高度不宜低于60m14.7.1 筒体结构的布置筒中筒结构布置：内筒宜贯穿建筑物全高，竖向刚度宜均匀变化外筒柱距不宜大于层高，宜小于3m。外墙面洞口面积不宜大于墙面面积的50外柱宜采用矩形或T型截面，外筒密柱到底层部分可通过转换梁、转换桁架、转换拱等扩大柱距，但柱总截面面积不宜减少，需要抗震设防时应采取措施保证底层柱的延性要求内筒和外筒之间的距离，非抗震设计时，不宜大于12m；抗震设计时，不宜大于10m14.7.1 筒体结构的布置组合筒结构4.3组合筒结构组合筒结构将几个筒体组合成一个整体，共同承担竖向和水平荷载的结构承重体系-组合筒体结构常用于75层左右的高层建筑中常用于75层左右的高层建筑中14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1在侧向力作用下，框筒结构的受力既相似于薄壁箱形结构，又有其自身特点。框筒底部翼缘和腹板的柱内正应力沿框筒水平截面的分布不是呈线性关系，而是呈曲线分布，出现了剪力滞后效应，即正应力在角柱较大，在中部逐渐减小。这是由于翼缘框架中柱的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所造成的。同时在框筒结构顶部，角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力，即出现负剪力滞后效应。框筒结构底部柱内正应力分布14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1对于实腹的箱形截面，当考虑墙内纵向剪切变形影响后，其横截面内的正应力分布也有剪力滞后或负滞后现象。框筒结构底部柱内正应力分布14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1 由于存在剪力滞后效应，筒体结构虽然是整体空间工作，但不能按平截面假定进行内力计算。另由于该效应存在，使底层角柱内的轴力加大，而远离角柱的柱子则应力较小，不能充分发挥材料作用，也减小了结构的空间整体抗侧刚度。在筒体结构中，侧向力所产生的剪力主要由腹板承担。筒中筒结构，外力所产生的总剪力在内外筒间的分配与内外筒的抗侧刚度比有关，但在不同高度，侧向力在内外筒间的分配比例是不同的。一般在结构底部，内部承担了大部分剪力，而外筒承担的剪力很小。侧向力产生的弯矩由内外筒共同承担，外筒较内筒承担较多的弯矩。框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下，因共同作用使整个结构的侧移曲线呈弯剪型。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2筒体结构体系相对较复杂，计算方法常采用计算机程序实现。常采用的方法有四种：（1）空间杆系薄壁柱矩阵位移法。把一般的梁柱单元作为空间杆件考虑，而把内筒、角柱等部位的单元作为空间薄壁杆件，用矩阵位移法求解。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2一般的空间杆件单元空间开口薄壁杆件单元14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（2）平面展开矩阵位移法,假定：筒体结构的各榀平面单元仅考虑其自身平面内的作用；楼盖在自身平面内的刚度为无穷大。基于这两条假定将空间结构简化为平面结构进行计算。筒中筒结构的平面展开矩阵位移法14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（3）等效弹性连续体能量法求解基于楼板在其平面内刚度为无限大和框筒的筒壁在其自身平面外的作用很小，只考虑其平面内作用的基本假定，把框筒结构简化成由四榀等效弹性板所组成的无孔实腹筒体，用能量法求解。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2 为了在分析中可简化公式推导，一般的筒体结构在整个建筑物高度内，梁与柱的横截面都可假定是不变的。于是，由密集柱和窗裙梁所组成的每榀框架都可用一榀等厚的正交异性弹性板来等效，从而把框筒结构等效成一个无孔实腹筒体（如图），并可利用能量法求解。等效正交异性弹性板的刚度特征值可通过弹性板与实际结构的变形等效条件得到。等效无孔实腹筒体14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2在轴向力作用的情况下，对于每个开间，如果能满足下式，则框架与墙板两者在轴力作用下的荷载变形关系将会相等。eqtEdAE 等效正交异性弹性板的轴向刚度特征值14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2等效端板的剪切模量应按壁式框架与等效墙板在承受相同的剪力V时，两者能发生相等的水平位移这一条件来确定。等效正交异性弹性板的剪切刚度特征值14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（4）有限条分析法有限条法是一种半解析方法，它通过分离变量，使三维空间结构的分析简化为二维问题，二维问题简化为一维问题。首先将框筒结构简化为等效弹性连续体，连续化后把内外筒壁和楼盖梁分成若干底部嵌固，顶部自由的竖条。根据假定，这些有限条元是平面应力有限条，可利用平面应力有限条来分析筒体结构的受力。