高层建筑结构设计(第六讲)10

在相同水平荷载作用下， 在相同水平荷载作用下， 以圆形的侧向刚度和受力性能 最佳，矩形最差； 最佳，矩形最差； 在相同基本风压作用下， 圆形平面的风载体型系数和风 在相同基本风压作用下， 荷载最小， 由于正方形和 荷载最小，优点更为明显； 优点更为明显；矩形平面相对更差， 矩形平面相对更差， 矩形平面的利用率较高， 仍具有一定的实用性， 但对矩形平面 矩形平面的利用率较高， 仍具有一定的实用性， 的长宽比需要加以限制。 的长宽比需要加以限制。 矩形的长宽比越接近 1，框筒翼缘框架角柱和中间柱的 轴力比 N 形） ， 时 N
翼缘框架的内力和变形都在其平面内（ 翼缘框架的内力和变形都在其平面内（由于翼缘框架各柱和裙梁 内力是由角柱传来），腹板框架的内力和变形也在其平面内， ），腹板框架的内力和变形也在其平面内 内力是由角柱传来），腹板框架的内力和变形也在其平面内，这使框 筒在水平荷载作用下内力分布形成“ 的空间特性。 筒在水平荷载作用下内力分布形成“筒”的空间特性。 3、影响剪力滞后的因素 柱距与裙梁的高度
框筒结构的剪力滞后
框筒剪力滞后原因
角 柱 翼缘框架变形示意
角 柱
角柱受压缩短，使与其相邻的裙梁承受剪力，因此相邻柱承受轴压； 角柱受压缩短，使与其相邻的裙梁承受剪力，因此相邻柱承受轴压； 第二柱受压使第二跨裙梁受剪，相邻柱又承受压力； 第二柱受压使第二跨裙梁受剪，相邻柱又承受压力； 传递…….. 传递 .. 翼缘框架的裙梁和柱都承受其平面内的弯矩、剪力与轴力。 翼缘框架的裙梁和柱都承受其平面内的弯矩、剪力与轴力。由于梁 的变形,使翼缘框架各柱压缩变形向中心逐渐递减,轴力也逐渐减小∼ 的变形,使翼缘框架各柱压缩变形向中心逐渐递减,轴力也逐渐减小∼剪 力滞后现象 同理,受拉翼缘框架也产生轴向拉力的剪力滞后现象。 同理,受拉翼缘框架也产生轴向拉力的剪力滞后现象。
框筒结构高度 剪力滞后现象沿框筒高度是变化的，底部剪力滞后现象相对严重一 剪力滞后现象沿框筒高度是变化的， 越向上柱轴力绝对值较小，剪力滞后现象缓和，轴力趋于平均。 些，越向上柱轴力绝对值较小，剪力滞后现象缓和，轴力趋于平均。 框筒结构要达到相当的高度，才能充分发挥结构的作用， 框筒结构要达到相当的高度，才能充分发挥结构的作用，高度不 大的框筒，剪力滞后影响相对较大。 大的框筒，剪力滞后影响相对较大。 框筒平面形状 翼缘框架越长，剪力滞后也越大，翼缘框架中部的柱子轴力会很小。 翼缘框架越长，剪力滞后也越大，翼缘框架中部的柱子轴力会很小。 框筒平面边长过大或长方形平面都是不利的。正方形、圆形、 框筒平面边长过大或长方形平面都是不利的。正方形、圆形、正 多边形是框筒结构最理想的平面形状。 多边形是框筒结构最理想的平面形状。 在长边的中部加一道横向密柱，可大大减小剪力滞后效应， 在长边的中部加一道横向密柱，可大大减小剪力滞后效应，提高 中柱的轴力∼ 中柱的轴力∼束筒
二、框筒变形规律 腹板框架的变形∼一般框架类似，呈剪切变形（层间变形下部大， 腹板框架的变形∼一般框架类似，呈剪切变形（层间变形下部大，上 部小） 部小） 翼缘框架的变形∼翼缘框架的拉、压轴向变形使结构具有弯曲型。 翼缘框架的变形∼翼缘框架的拉、压轴向变形使结构具有弯曲型。 整个框筒结构的变形=腹板框架的变形（剪切型） 整个框筒结构的变形=腹板框架的变形（剪切型）+翼缘框架的变形 弯曲型）。大多数情况下框筒总变形仍略偏向于剪切型。 ）。大多数情况下框筒总变形仍略偏向于剪切型 （弯曲型）。大多数情况下框筒总变形仍略偏向于剪切型。 由于框筒各个柱承受的轴力不同，轴向变形也不同， 由于框筒各个柱承受的轴力不同，轴向变形也不同，角柱轴力及轴 向变形最大（拉伸或压缩）， ），中部柱子轴向应力及轴向变形减小 向变形最大（拉伸或压缩），中部柱子轴向应力及轴向变形减小 使楼板产生翘曲，底部楼层翘曲严重，向上逐渐减小。 使楼板产生翘曲，底部楼层翘曲严重，向上逐渐减小。
第六讲
筒体结构设计
唐兴荣 苏州科技学院 土木工程学院 二○一○年二月
第六讲 筒体结构设计
内容提要
框筒的剪力滞后 框筒的变形规律 筒中筒结构 布置要点 框筒的估算方法 构件配筋设计特点
一、框筒的剪力滞后 框筒、 1、框筒、筒中筒和束筒的概念 由密排柱（柱距1 3m，不超过4.5m 和跨高比较小（跨高比[ 4.5m） 由密排柱（柱距1∼3m，不超过4.5m）和跨高比较小（跨高比[3∼4） 的裙梁构成密柱深梁框架， 的裙梁构成密柱深梁框架，布置在建筑物周围形成框筒 框筒和实腹筒组成筒中筒 翼缘框架 腹板框架 多个框筒排列组成束筒 2、框筒的剪力滞后 与水平力平行的腹板框架与一般框架相似 一端受拉、一端受压，角柱受力最大） （一端受拉、一端受压，角柱受力最大） 与水平力垂直的翼缘框架各柱受力不均， 与水平力垂直的翼缘框架各柱受力不均， 中柱的轴向应力减小，角柱轴力增大∼ 中柱的轴向应力减小，角柱轴力增大∼剪力 滞后现象
规则平面框筒的性能比较 平 面 形 状 筒顶位移 水平荷 载相同 最不利柱的轴向力 筒顶位移 基本风 压相同 最不利柱的轴向力 0.67 0.48 0.35 0.96 0.83 0.83 1.0 1.0 1,0 1.54 1,63 2.53 1.47 2.46 2.69 圆 形 0.90 正六边形 0.96 正方形 1.0 正三角形 1.0 矩形（长宽比为 2） 1.72
内筒设计 内筒是筒中筒结构抗侧力的主要子结构，宜贯通建筑物全高， 内筒是筒中筒结构抗侧力的主要子结构，宜贯通建筑物全高，竖向 刚度宜均匀变化，以免结构的侧移和内力发生急剧变化。 刚度宜均匀变化，以免结构的侧移和内力发生急剧变化。为了使筒 中筒结构具有足够的侧向刚度，内筒的刚度不宜过细小，通常， 中筒结构具有足够的侧向刚度，内筒的刚度不宜过细小，通常，内 筒边长= 1/2∼1/3）外筒边长，其边长可取筒体结构高度的1/12～ 筒边长=（1/2∼1/3）外筒边长，其边长可取筒体结构高度的1/12～ 1/12 1/15，一般不宜超过15m 1/15，一般不宜超过15m ；当外框筒内设置刚度较大的角筒或剪力 墙时，内筒平面尺寸可适当减小。 墙时，内筒平面尺寸可适当减小。
影响剪力滞后大小的主要因素是裙梁剪切刚度( 影响剪力滞后大小的主要因素是裙梁剪切刚度( S b =
12 EI b l
3
)与柱轴
EAc 向刚度( 的比值。梁的剪切刚度越大,剪力滞后越小。 向刚度( S c = )的比值。梁的剪切刚度越大,剪力滞后越小。 h
若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可结合设备层、 若裙梁高度受到限制，深梁的效果不足，可结合设备层、避免层 设置沿框筒周圈的环向桁架。由于环向桁架的刚度大， 设置沿框筒周圈的环向桁架。由于环向桁架的刚度大，可减小翼缘框 架和腹板框架的剪力滞后。 架和腹板框架的剪力滞后。 角柱面积 角柱越大，承受的轴力也越大，提高了角柱及相邻柱的轴力， 角柱越大，承受的轴力也越大，提高了角柱及相邻柱的轴力，翼 缘框架的抗倾覆力矩会越大。但角柱加大使它与中柱轴力差越大。 缘框架的抗倾覆力矩会越大。但角柱加大使它与中柱轴力差越大。
底部钢筋
钢筋网间距[ 150
] 且] 3000 ] 且] 3000
上部钢筋
较长的净跨 配置钢筋网 配置斜向钢筋
筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋， 筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜 小于0.3% 钢筋的直径不应小于8mm 间距不应大于150mm 0.3%， 8mm， 150mm， 小于0.3%，钢筋的直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，配筋范 围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外墙中距的1/3 3m。 1/3和 围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外墙中距的1/3和3m。 框筒与实腹筒组合∼ 三、框筒与实腹筒组合∼筒中筒结构 外框筒+内实腹筒∼筒中筒结构（双重抗侧力体系） 外框筒+内实腹筒∼筒中筒结构（双重抗侧力体系） 外框筒承受的剪力一般可达25%以上，倾覆力矩一般可达50%以上。 外框筒承受的剪力一般可达25%以上，倾覆力矩一般可达50%以上。 25%以上 50%以上 框筒以承受倾覆力矩为主，内筒承受大部分剪力。 框筒以承受倾覆力矩为主，内筒承受大部分剪力。 框筒结构抵抗水平荷载的协同工作，与框架 剪力墙结构类似 剪力墙结构类似。 框筒结构抵抗水平荷载的协同工作，与框架—剪力墙结构类似。 实腹筒以弯曲变形为主，框筒剪切变形成分较大， 实腹筒以弯曲变形为主，框筒剪切变形成分较大，框筒与实腹筒 的协同工作使层间变形更加均匀。 的协同工作使层间变形更加均匀。 框筒布置在建筑周边，使结构的抗扭刚度增大； 框筒布置在建筑周边，使结构的抗扭刚度增大； 筒中筒结构是一种适用于超高层建筑的高效结构体系
四、布置要点 平面外形 研究表明，对正多边形而言，边数越多，剪力滞后现象越不显著，结构的 研究表明，对正多边形而言，边数越多，剪力滞后现象越不显著， 空间作用越大；反之，边数越少，结构的空间作用越差。 空间作用越大；反之，边数越少，结构的空间作用越差。 高层建筑混凝土结构设计规程》 JGJ3-2002）规定： 《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2002）规定：筒中筒结构的平面 外形宜选用圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，内筒宜居中。 外形宜选用圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，内筒宜居中。
角柱
越小。一般而言， N 中柱 越小。一般而言，当长宽比 L B = 1（即正方
角柱
N 中柱
角柱
当 = 2 . 5 ~ 5 ； L B = 2 时， N
角柱
N 中柱
= 6 ~ 9；
N 当 L B = 3 时，
N 中柱
f 10 ， 此时， 中间柱已不能发挥作用， 此时， 中间柱已不能发挥作用，
说明在设计筒中筒结构中， 说明在设计筒中筒结构中，矩形平面的长宽比不宜大于 2。
当孔洞的双向尺寸分别等于柱距和层高的 80% 即开孔率 （ 64%） 框筒的剪力滞后现象相当明显， 为 64%） ， 时 框筒的剪力滞后现象相当明显， 轴力比 N 角柱
N 中柱
25%的 倍以上， 已大于 9，用料指标相当于开孔率 25%的 4 倍以上，说明开孔 率应适当控制， 为满足实用需要， 框筒的开孔率不宜大于 60%。 60%。 率应适当控制， 为满足实用需要，