筒体结构设计

1、第第8章章 筒体结构设计筒体结构设计 一、概一、概 述述 筒体是一种双向具有抗侧能力的空间受筒体是一种双向具有抗侧能力的空间受力结构，具有很大的刚度和承载力，适合在力结构，具有很大的刚度和承载力，适合在高层和超高层建筑中采用，其混凝土强度等高层和超高层建筑中采用，其混凝土强度等级不宜低于级不宜低于C30。筒中筒结构的高度不宜低筒中筒结构的高度不宜低于于60m，高宽比不应小于高宽比不应小于3。 当相邻层的柱不贯通时，应设置转换当相邻层的柱不贯通时，应设置转换梁等构件。转换梁的高度不宜小于跨度的梁等构件。转换梁的高度不宜小于跨度的1/6。 + 图1(a)实腹筒 （一）（一） 实腹筒结构（图实腹筒结

2、构（图1a） 理想的实腹筒体在理想的实腹筒体在水平力作用下，截面变水平力作用下，截面变形保持平面，腹板应力形保持平面，腹板应力按直线分布，翼缘应力按直线分布，翼缘应力相等。相等。 图图1(1(b)b)框筒轴力分布框筒轴力分布 （二） 框筒结构（图框筒结构（图1b） 框筒在水平力作用下，框筒在水平力作用下，由于剪力滞后影响，腹板框由于剪力滞后影响，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，架柱的轴力是曲线分布的，而翼缘框架的轴力也是不均而翼缘框架的轴力也是不均匀分布的，角柱受力最大。匀分布的，角柱受力最大。 （三）（三） 筒中筒结构（图筒中筒结构（图1c）图图1(c)1(c)筒中筒筒中筒 筒中筒结构在水平筒

3、中筒结构在水平荷载作用下，由柱及墙荷载作用下，由柱及墙肢的轴力形成的整体弯肢的轴力形成的整体弯矩很大矩很大, ,由柱和墙肢的由柱和墙肢的弯曲所形成的弯矩很小；弯曲所形成的弯矩很小；核心筒承担的剪力很大，核心筒承担的剪力很大，外框筒承担的剪力很小。外框筒承担的剪力很小。 深圳国贸中心一层弯矩分配比例深圳国贸中心一层弯矩分配比例 由柱及墙肢轴力形成的整体弯矩由柱及墙肢轴力形成的整体弯矩由柱及墙肢的弯曲所承担的弯矩由柱及墙肢的弯曲所承担的弯矩外框筒外框筒内筒内筒外框筒外框筒内筒内筒50.4%40.3%2.7%6.6%深圳国贸中心底层剪力分配比例深圳国贸中心底层剪力分配比例 外框筒外框筒内筒内筒27%

4、73%( (四四) )框架框架-筒体结构（图筒体结构（图2a） ( (五五) )成束筒（图成束筒（图2b） 受力接近于框架受力接近于框架-剪力墙结构。剪力墙结构。 截面应力分布大体上与整截面应力分布大体上与整体截面筒体相似，但在隔板处体截面筒体相似，但在隔板处有剪力滞后现象。它的受力比有剪力滞后现象。它的受力比同样平面尺寸的单个框筒要均同样平面尺寸的单个框筒要均匀一些。匀一些。 (a) (b) 图图2 二、结构布置二、结构布置 （一）筒中筒结构布置（一）筒中筒结构布置 1.1.平面形状：宜为圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，矩平面形状：宜为圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，矩 形平面的长宽比不宜大

5、于形平面的长宽比不宜大于2 2。 2.2.高宽比：高宽比：H/BH/B宜大于宜大于6 6，不应小于，不应小于3 3。 3.3.框筒开孔：开孔率不宜大于框筒开孔：开孔率不宜大于60%。 4.4.洞口形状：洞口高宽比宜与框筒梁柱轴线网格高宽比相似。洞口形状：洞口高宽比宜与框筒梁柱轴线网格高宽比相似。 5.5.柱距：框筒柱距为柱距：框筒柱距为2.03.0m，不宜大于不宜大于4m。 6.6.柱截面：扁柱，高宽比约为柱截面：扁柱，高宽比约为4。角柱截面面积一般可取为。角柱截面面积一般可取为 中柱截面面积的中柱截面面积的12倍。倍。 7.7.裙梁截面：扁而高梁，裙梁截面：扁而高梁，h=6001500，梁宽

6、等于墙厚，一梁宽等于墙厚，一 般不小于般不小于250mm。 8.8.内筒尺寸：内筒的边长可为高度的内筒尺寸：内筒的边长可为高度的1/121/15。 （二）框架（二）框架- -筒体结构布置筒体结构布置 1.1. 平面形状：较自由，但要简单、规则、均匀、平面形状：较自由，但要简单、规则、均匀、 对称。对称。2. 2. 高宽比：高宽比：2.54.0。 3. 3. 内筒尺寸：较自由内筒尺寸：较自由 4. 4. 外柱柱距：外柱柱距：4m9m。 四、筒体结构内力与位移计算方法四、筒体结构内力与位移计算方法 （一）框筒在水平荷载作用下的内力（一）框筒在水平荷载作用下的内力 和位移计算方法和位移计算方法 1.

7、 等代角柱法等代角柱法 框筒结构在水平荷载作用下，角柱受力最大，腹板框框筒结构在水平荷载作用下，角柱受力最大，腹板框架的角柱有轴力、剪力和弯矩。剪力和弯矩对翼缘框架平架的角柱有轴力、剪力和弯矩。剪力和弯矩对翼缘框架平面外的影响可忽略不计，轴力将使角柱产生轴向变形，从面外的影响可忽略不计，轴力将使角柱产生轴向变形，从而带动整个翼缘框架在其平面内产生影响。而带动整个翼缘框架在其平面内产生影响。等代角柱法是等代角柱法是用一个等代角柱来代替原框筒结构角柱和翼缘的作用，得用一个等代角柱来代替原框筒结构角柱和翼缘的作用，得到一个能代替原框筒结构的等效平面框架（图到一个能代替原框筒结构的等效平面框架（图7）

8、。）。这样，这样，问题便变为平面框架的计算问题。问题便变为平面框架的计算问题。 NNNNNAcAcj图图 7 此法的关键是找到每层的恰当的等代角柱截面。方此法的关键是找到每层的恰当的等代角柱截面。方法是要法是要使等代后角柱的轴向变形与等代前角柱的轴使等代后角柱的轴向变形与等代前角柱的轴向变形相等向变形相等。 设框筒第设框筒第j层原角柱面积为层原角柱面积为Ac，所受轴力为所受轴力为N1；等代等代角柱的截面面积为角柱的截面面积为 ，所受轴力为，所受轴力为 ，则各自，则各自的轴向变形为：的轴向变形为： cjAN1cN hEAcjNhEA12NNNL由由 ，可得：，可得： 1cjccNAAAN式中式中

9、 1NN 称为等代系数，其数值大小反映框筒结构空间作用的强称为等代系数，其数值大小反映框筒结构空间作用的强弱。弱。 曲线如图曲线如图8所示，所示， 是角柱面积与其它的面积比以及是角柱面积与其它的面积比以及梁的线刚度有关，详细情况可参考教材。梁的线刚度有关，详细情况可参考教材。l=2ml=3.5ml=3ml=4ml=2.5m4.543210.010.020.030.040.0512/nCFF 图图8l：梁跨；梁跨； F1：角柱面积；角柱面积；F2：外框筒其它柱面积。外框筒其它柱面积。2.等效连续体法等效连续体法 此法是将框筒每一个平面的梁柱用一个等效的均匀的正交此法是将框筒每一个平面的梁柱用一个

10、等效的均匀的正交异性平板来替代，因此框筒变成为一实腹的薄壁异性平板来替代，因此框筒变成为一实腹的薄壁筒（图筒（图9）。）。 图 9 由于楼板在其平面内的刚度很大，能约束壁板平面外变形由于楼板在其平面内的刚度很大，能约束壁板平面外变形, ,因此壁板只需考虑平面内的作用。因此壁板只需考虑平面内的作用。 此法的关键是要此法的关键是要使壁板的轴向刚度和剪切刚度与框筒的轴使壁板的轴向刚度和剪切刚度与框筒的轴向刚度和剪切刚度相同向刚度和剪切刚度相同。 现取出一个梁柱单元现取出一个梁柱单元(图图10a)进行分析进行分析,其等效壁板为图其等效壁板为图10b。 Vd(b) AjzxcdhbhAc,IcAb,Ib

11、V(a) ABCVIcIb1Ib2D2/2t1/2t(c) 图 10 （1）等效板的弹性模量）等效板的弹性模量 设设A为每根柱的截面面积，为每根柱的截面面积，E为材料弹性模量，为材料弹性模量，d为柱距，为柱距，t 为为等效板厚，等效板厚，Ec为等效板的竖向弹性模量，由轴向刚度相等可为等效板的竖向弹性模量，由轴向刚度相等可得：得： cAEdtEcAEEdt若等效板的截面面积等于柱截面面积，则有：若等效板的截面面积等于柱截面面积，则有： cEE（2）等效板的剪切模量）等效板的剪切模量 梁柱节点可看成是图梁柱节点可看成是图10c带刚域的节点，其荷载位移关系为：带刚域的节点，其荷载位移关系为： 2c2

12、22cb1b2211211222(1)216(1)(1)(1)IthVeeEIIItttelllle 式中式中 2111222e h tldtldt ，。等效板的荷载等效板的荷载-位移关系为：位移关系为： VhGA 由以上两式相等，得等效板的剪切刚度为：由以上两式相等，得等效板的剪切刚度为： 2c222c22b1b2111122121121111EItGAeetIeIIttellll当为边柱时，可令其中一侧梁的惯性矩为零。当为边柱时，可令其中一侧梁的惯性矩为零。 当考虑杆件的弯曲变形和剪切变形和有限结点的剪切变形，当考虑杆件的弯曲变形和剪切变形和有限结点的剪切变形，即不把结点区视为刚域时：即不

13、把结点区视为刚域时： xzxzEGtdC式中式中: : 332bccbcb22ccbb11212xzjbhhh ddh ddhhdhEhChIGhAA hdhd Id AAj为有限结点的截面面积；为有限结点的截面面积；G为材料的剪切模量。为材料的剪切模量。 （3）内力与位移的计算）内力与位移的计算 法向面板的法向面板的平衡方程：平衡方程： 00yyzyzzyzyz侧向面板的侧向面板的平衡方程：平衡方程： 00 xxzxzzxzxzxPH2c2bzxzzxyzyz图 7图11解微分方程和根据边界条件可求出解微分方程和根据边界条件可求出 和位移和位移x(u)、z(w)。最后还要把从等效连续体中得到

14、的最后还要把从等效连续体中得到的应力通过积分，转换成梁、柱内力。应力通过积分，转换成梁、柱内力。 xyzzyx、 、 、 、xz薄壁筒还可以用有限元或有限条方法求解薄壁筒还可以用有限元或有限条方法求解。(b) (a) (c) 图 13 （二）筒中筒结构在水平荷载下的（二）筒中筒结构在水平荷载下的 内力位移计算内力位移计算1. 等效平面法等效平面法 外框筒可用翼缘展开法（图外框筒可用翼缘展开法（图13b）或等代角柱法（图或等代角柱法（图13c）简简化为平面框架，内筒为在水平荷载方向的剪力墙，按框架化为平面框架，内筒为在水平荷载方向的剪力墙，按框架-剪力剪力墙结构计算。墙结构计算。 2. 等效连续

15、体法等效连续体法 x0 xxjxn-1(a) (b) 图 14外框筒可按单筒中的方法化为等效连续体，内筒一般为薄壁外框筒可按单筒中的方法化为等效连续体，内筒一般为薄壁杆，因为对称荷载通过剪力中心，只产生弯曲，可按普通梁杆，因为对称荷载通过剪力中心，只产生弯曲，可按普通梁计算。计算简图如图计算。计算简图如图14a，用力法可以求解（图用力法可以求解（图14b）。）。 五、筒体结构截面设计与构造要求五、筒体结构截面设计与构造要求 （一）外框筒梁和内筒连梁应符合以下要求：（一）外框筒梁和内筒连梁应符合以下要求： 1. 按一般梁设计，不考虑深梁作用。按一般梁设计，不考虑深梁作用。 2. 截面尺寸应满足抗

16、剪要求：截面尺寸应满足抗剪要求： （1）无地震作用组合）无地震作用组合 bcbb0c0.25Vb h f（2）有地震作用组合）有地震作用组合 跨高比大于跨高比大于2.5时：时： bccbb0RE10.20Vf b h 跨高比不大于跨高比不大于2.5时：时： bccbb0RE10.15Vf b h3. 不设弯起钢筋。不设弯起钢筋。 4.当框筒梁截面高度与跨度之比大于当框筒梁截面高度与跨度之比大于2时，可以设置交叉时，可以设置交叉暗撑。斜筋每一方向暗撑。斜筋每一方向4根，直径不小于根，直径不小于14，箍筋直径不应小，箍筋直径不应小于于8，间距不应大于，间距不应大于200及梁截面宽度的一半；端部加密

17、及梁截面宽度的一半；端部加密区间距不应大于区间距不应大于100，加密区长度不应小于，加密区长度不应小于600及梁截面及梁截面宽度的宽度的2倍。交叉斜筋伸入墙内长度，抗震设计时取倍。交叉斜筋伸入墙内长度，抗震设计时取laE，非抗非抗震设计时取震设计时取la，面积为：面积为： 非抗震设计非抗震设计 bsy2sinVAf抗震设计抗震设计 REbsy2sinVAf5. 裙梁纵筋每侧不少于裙梁纵筋每侧不少于2 16，箍筋不少于，箍筋不少于 8200， 腰筋不少于腰筋不少于12200。 加密区bb/2la1a1all（非抗震设计）（非抗震设计） a1a1.15ll（抗震设计）（抗震设计） l1l2l2/3

18、且3000mm150mm150mml1/3且3000mm图图16 板角配筋板角配筋 （二）楼盖（二）楼盖 筒体结构的楼盖外角宜筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋（图设置双层双向钢筋（图16），单层单向配筋），单层单向配筋率不宜小于率不宜小于0.3%，钢，钢筋的直径不应小于筋的直径不应小于8，间距不宜大于间距不宜大于150，配筋范围不宜小于外框配筋范围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外架（或外筒）至内筒外墙中距的墙中距的1/3和和3m。 （三）框架（三）框架-核心筒结构核心筒结构 1.核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于 筒体总高的筒体总高的1/121/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或，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，核心筒的宽度增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可以可以 适当减小。适当减小。 2. 核心筒应具有良好的整体性，并满足下列要求：核心筒应具有良好的整体性，并满足下