筒体结构设计（PPT,共87页）

1、*1高层建筑结构*27. 筒体结构设计7.1 筒体结构的布置7.2 侧向力作用下的受力特点7.3 筒体结构的计算方法7.4 筒体结构的截面设计及构造要求*37.1 筒体结构的布置*.筒体结构有哪些？1.核心筒结构。2.框筒结构。3.筒中筒结构。4.框架-核心筒结构5.成束筒结构6.多重筒结构*47.1 .1核芯筒结构*.核心筒结构的优点是什么？ 1.建筑四周的柱子不落地，仅有核芯筒将上部荷载传至基础。占地面积小，可留出较大的空间以满足绿化、交通、保护既有建筑物等规划要求。2.柱截面尺寸小，仅承受若干层楼面竖向荷载，便于建筑上开窗采光，视野开阔。3.受力明确，分析方便，是典型的竖向悬臂结构。*5

2、*.核心筒结构的缺点是什么？1.实腹形的筒体结构易出现脆性的破坏形态。2.作为悬臂结构的实腹核芯筒作为静定结构，没有多余的约束，缺乏第二道防线。3.水塔状的建筑外形和质量分布，使核芯筒结构具有较大的地震反应。*6*.克服核心筒结构缺点所需采取的措施是什么？布置结构洞，使筒壁成为联肢剪力墙的结构形式，利用连系梁梁端的塑性铰耗散地震能量，使之出现“强肢弱梁”型的破坏形态。*7*.核心筒结构中的楼盖荷载如何传递？支承或悬挂于悬挑桁架上，然后传至核心筒。当层数较多时，还可在竖向分成若干段，设置多个桁架。*8同济大学图书馆当核芯筒上升至原有图书馆屋顶以上后再向四边布置预应力悬挑桁架及楼盖结构。核芯筒内布

3、置楼梯间、电梯间和卫生间等服务用房，悬挑部分布置阅览室。楼盖结构支承于每两层一榀的预应力空腹桁架上，桁架支承于核芯筒上。*9长沙黄兴路综合大楼在第9、15、21层分别设置悬挑大梁，大梁为顶部预应力结构，支承上部5层小框架的竖向荷载。为增强结构底部的承载力和提高结构延性、核 芯筒下部数层与裙房连为整体，共同抵抗侧向力。*107.1.2 框筒结构*.框筒结构的受力特点是什么？ 1.水平力全部由框筒结构承受。2.中间的柱子仅承受竖向荷载。见图7.3(a),(b)*11*12框筒结构的构造要求每一立面孔洞面积不宜大于立面总面积的50%。 周边柱轴线间距为2.0-3.0m，不宜大于4.5m。窗裙梁横截面

4、高度为0.6-1.2m,截面宽度为0.3-0.5m。整个结构的高宽比宜大于3，结构平面的长宽比不宜大于2。为扩大底层柱距，减少底层柱子数，常用巨大的拱、梁或桁架支承上部的柱子。角柱对框筒结构的抗侧刚度和整体抗扭具有十分重要的作用，应使角柱具有较大的截面面积和刚度。 *137.1.3 筒中筒结构把核芯筒布置于框筒结构的中间，便成为筒中筒结构。一般是把楼梯间、电梯间等服务性设施全部布置在核芯筒内，而在内外筒之间则提供了环形开阔的空间。筒中筒结构常被用于出租用的商务办公中心。*14*.筒中筒结构的构造要求有哪些？筒中筒结构的高度不宜低于80m，高宽比不应小于3。（9.1.2） 筒体结构的混凝土强度等

5、级不宜低于C30。筒体结构的楼盖外角宜设置双层双向钢筋（图9.1.5），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，配筋范围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外墙中距的1/3和3m。 （9.1.4） *15*16核心筒或内筒的外墙与外框柱间的中距，非抗震设计大于15m、抗震设计大于12m时，宜采取另设内柱等措施。 （9.1.5） 核心筒或内筒中剪力墙截面形状宜简单。 （9.1.6） 楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。 （9.1.10） *17*18*19*20筒中筒结构的构造要求 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。 （

6、9.3.1） 矩形平面的长宽比不宜大于2。 （9.3.2） 内筒的边长可为高度的1/121/15，如有另外的角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸还可适当减小。内筒宜贯通建筑物全高，竖向刚度宜均匀变化。 （9.3.3） *21筒中筒结构外部柱距较密，常会与建筑立面、建筑造型或建筑使用功能相矛盾，有时建筑布置上要求外部柱距在4-5m左右或更大。这时，周边的柱子相当于框架的作用。框架-核芯筒结构中的柱子往往数量少而断面大。因此，应特别注意保证内筒的抗侧刚度和结构的抗震性能。7.1.4 框架-核心筒结构*22*. 框架-核心筒结构的构造要求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

7、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。 (9.2.1)框架-核心筒结构的周边柱间必须设置框架梁。 (9.2.3)*23束筒结构的特点当建筑物高度或其平面尺寸进一步加大，以至于框架结构或筒中筒结构无法满足抗侧刚度要求时，可采用束筒结构。提供更大的刚度，适用于建造层数更多的建筑。由于中间两排密柱框架的作用，可以有效地减少外筒翼缘框架中的剪力滞后效应，使翼缘柱子充分发挥作用。*24多重筒结构的特点当建筑平面尺寸很大或当内筒较小时，内外筒之间的距离较大，即楼盖结构的跨度较大，这样会增加板厚或楼面大梁的高度。为保证楼盖结构的合理性，降低楼盖结构的高度，可在筒中筒结构的内

8、外筒之间增设一圈柱子或剪力墙，若将这些柱子或剪力墙用梁连系起来使之也形成一个筒的作用，即成为一个三重筒结构。*257. 筒体结构设计7.1 筒体结构的布置7.2 侧向力作用下的受力特点7.3 筒体结构的计算方法7.4 筒体结构的截面设计及构造要求*267.2 侧向力作用下的受力特点*.什么是剪力滞后效应及负剪力滞后效应正应力在角柱较大，在中部逐渐减小，这种现象称为剪力滞后效应。在框筒结构的顶部，角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力，这一现象称为负剪力滞后效应。*27正剪力滞后效应*28*.剪力滞后效应的不利之处是什么？由于剪力滞后效应的影响，使得角柱内的轴力加大，而远离角柱的柱子则由于

9、剪力滞后效应仅有较小应力，不能充分发挥材料的作用，也减小了结构的空间整体抗侧刚度。*29*.可采取哪些措施来减少剪力滞后效应带来的不利影响？减小柱间距加大窗裙梁的刚度调整结构平面使之接近于正方形控制结构的高宽比。*30*.在筒中筒结构中，侧向力产生的剪力如何在外筒和内筒的腹板进行分配？侧向力所产生的剪力主要由其腹板部分承担。外力所产生的剪力在内外筒之间的分配与内外筒之间的抗侧刚度比有关。对于筒中筒结构，在结构底部，内筒承担了大部分剪力（73%），外筒承担了剪力很小（27%）。剪力的分配*31弯矩的分配*.侧向力所产生的弯矩如何在筒中筒结构进行分配？侧向力所产生的弯矩由内外筒共同承担，由于外筒柱

10、离建筑平面形心较远，故外筒柱内的轴力所形成的抗倾覆弯矩极大（50.4%）。在外筒中，翼缘框架又占了其中的主要部分，而外筒腹板框架（2.7%）及内筒腹板墙肢（6.6%）的局部弯曲所占的弯矩极小。*32侧向位移曲线腹板框架发生剪切型的侧向位移变形曲线。翼缘框架一侧受拉、一侧受压的受力状态则形成弯曲型的变形曲线。内筒也发生弯曲型的变形曲线。其同工作结果使整个结构的侧向位移曲线呈弯剪型。*33水平加强层可利用设备层的高度，布置一些强度和刚度都很大的水平构件，即形成水平加强层。这些水平构件即连接建筑物四周的柱子，又将核芯筒和外柱连接起来，可约束周边框架和核芯筒的变形，减少结构在水平荷载作用下的侧移量。这

11、些大梁或大型桁架如与布置在建筑物四周的大型柱子或钢筋混凝土井筒整体连接，便形成具有强大抗侧刚度的巨型框架结构。*347. 筒体结构设计7.1 筒体结构的布置7.2 侧向力作用下的受力特点7.3 筒体结构的计算方法7.4 筒体结构的截面设计及构造要求*357.3 筒体结构的计算方法7.3.1空间杆系-薄壁柱矩阵位移法*.什么是空间杆系-薄壁柱分析法？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。一般的空间杆件单元，每个杆端有6个自由度。对于空间薄壁杆件单元，产生扭转，每个杆端有7个自由度。*36*.空间杆系-薄壁柱矩阵位移法的优点是什么？可以分析

12、梁柱为任意布置的一般的空间框架结构或筒体结构，可以分析平面为非对称的结构或荷载，并可获得薄壁柱受约束扭转所引起的翘曲应力。*377.3.2 平面展开矩阵位移法角柱可把内外筒分别展开到同一平面内，分别展开成带刚域的平面壁式框架和带门洞的墙体，并相互由简化成楼盖连杆的楼面体系相连。*38由于大部分筒中筒结构在双向都为轴对称，因此，可取四分之一平面的结构来分析。对称轴上的边界条件则需按筒中筒结构的变形条件及受力特点来确定。*39*40A-A轴和F-F轴：即不产生水平位称，也不产生转角，只会出现竖向位移。C-C轴和D-D轴：设立竖向约束（有侧向位移和转角）。将楼盖简化为轴向刚度为无穷大，与内外筒以铰相

13、连的连杆。把筒中筒这一空间结构简化成平面结构后，可利用分析平面结构的方法和电算程序进行计算，使工作量大为减少。*41角柱L形角柱应展开成分属于两榀壁式正交平面壁式框架的两根边柱（虚拟角柱）。在每一楼层处用一仅能传递竖向剪力的虚拟机构将它们连接起来，以保证两个虚拟角柱竖向变形一致，而相互之间又不传递水平力及弯矩。在内筒两筒壁之间设置虚拟单元，以保证两相邻筒壁在原交结面上的竖向变形一致，而相互之间不传递水平力。*42虚拟角柱的刚度取值当计算虚拟角柱的轴向刚度时，其截面积取实际角柱截面积的一半；当计算虚拟角柱的弯曲刚度时，其惯性矩可取角柱在相应方向上的惯性矩；根据在相同荷载作用下变形相等的原则，导出

14、虚拟角柱的轴向刚度和抗弯刚度值；*437.3.3 等效弹性连续体能量法基于楼板在其平面内的刚度无限大和筒壁在其自身平面外的作用很小，只考虑平面内的作用，把框筒结构简化成由四榀等效的正交异性弹性板所组成的实腹筒体，用能量法求解。*44由于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了一个无孔实腹筒体。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来导得。*45把实际为密柱深梁的框筒结构等效为厚度为t，等效弹性模量为Eeq，等效剪切模量为G的封闭实腹筒，并可根据能量法进一步求解。*467.3.4 有限条分析法有限条分析法是一种半解析法

15、，它通过分离变量，使三维空间结构的分析简化为二维问题，二维问题化为一维问题，大大缩短计算时间。有限条分析法是以竖向的条作为分析单元，可不受结构高度的影响。连续化，将筒结构简化为等效弹性连续体。将空间受力问题简化为平面应力有限条来分析。*47楼盖的处理当为刚结楼盖并要考虑楼盖结构的平面外刚度时，还须把楼盖结构在竖向连续化。连续化后，用假想的结线，把内、外筒壁和楼盖梁分成若干个底部嵌固、顶部自由的竖条。当不考虑楼盖结构的平面外刚度时，这时的有限元是平面应力有限元，各条元之间的关系，除了满足结线处位移协调外，还应满足楼盖在自身平面内的刚度无穷大的条件。*48有限条单元框筒切出的框筒条。先将框筒结构连

16、续成等效实体筒，然后按精度要求划分条元。由内筒的无孔部分所切出的条元。内筒虚条，由内筒连系梁等效而成的正交异性板。楼盖虚条，考虑楼盖平面外刚度的虚拟条元。*497. 筒体结构设计7.1 筒体结构的布置7.2 侧向力作用下的受力特点7.3 筒体结构的计算方法7.4 筒体结构的截面设计及构造要求*507.4.1 混凝土筒体结构应采用现浇钢筋混凝土结构。混凝土强度等级不宜低于C30。*517.4.2 外框筒三角形平面宜切角，外筒的切角长度不宜小于相应边长的1/8，其角部可设置刚度较大的角柱或角筒；内筒的切角长度不宜小于相应边长的1/10，切角处的筒壁宜适当加厚。 （9.3.4）*52外框筒应符合下列

17、规定 （9.3.5）1. 柱距不宜大于4m，框筒柱的截面长边应沿筒壁方向布置，必要时可采用T形截面；2. 洞口面积不宜大于墙面面积的60%，洞口高宽比宜与层高与柱距之比值相近；3. 外框筒梁的截面高度可取柱净距的1/4；4. 角柱截面面积可取中柱的12倍。*53*54外框筒梁和内筒连梁的构造配筋应符合下列要求（9.3.7）： 1 非抗震设计时，箍筋直径不应小于8mm；抗震设计时，箍筋直径不应小于10mm；2 非抗震设计时，箍筋间距不应大于150mm；抗震设计时，箍筋间距沿梁长不变，且不应大于100mm，当梁内设置交叉暗撑时，箍筋间距不应大于200mm；3 框筒梁上、下纵向钢筋的直径均不应小于1

18、6mm，腰筋的直径不应小于10mm，腰筋间距不应大于200mm。*55连梁(9.3.8)跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜增配对方斜向钢筋。跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑；且应符合下列规定：1. 梁的截面宽度不宜小于400mm；2 .全部剪力应由暗撑承担。每根暗撑应由4根纵向钢筋组成，纵筋直径不应小于14mm。其总面积As应按下式计算： *56*57连梁3. 两个方向斜撑的纵向钢筋均应采用矩形箍筋或螺旋箍筋绑成一体，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不应大于150mm；4. 纵筋伸入竖向构件的长度不应小于lal，非抗震设计时lal可取la；抗震设计时lal宜取1.15la；外框筒

19、柱的正截面（压、弯）承载力按双向偏心受压计算。*587.4.3 核芯筒9.2.3抗震设计时，核心筒设计宜满足下列要求。应设置约束边缘构件或构造边缘构件。底部加强部位主体墙体水平的竖向分布钢筋的配筋率不宜小于0.3% 。底部加强部位约束边缘构件沿墙肢的长度应取墙肢截面高度的1/4，约束边缘构件范围内应全部采用箍筋。*59计算和设计计算核芯筒墙肢平面外正截面（压、弯）承载力宜考虑墙身分布钢筋与翼缘的作用，按双向偏心受压计算。计算核芯筒墙肢斜面受剪承载力时，仅考虑与剪力作用方向平行的肋部的面积，不考虑翼缘部分的作用。*60*61偏置筒体大跨度框架结构体系 常规设计的筒体框架结构， 其核心筒均为居中布

20、置， 而框架则沿四周布置， 从而形成典型的筒体框架结构体系。该结构体系平面上对称规则， 刚度中心与质量中心基本重合， 符合建筑抗震原则， 具有合理的地震作用传递途径， 并具备足够的抗震承载能力和良好的抗变形能力， 因而在实际工程中被普遍采用。*62偏置筒体大跨度框架结构体系 对于作为写字楼的筒体 框架结构， 从使用角度出发， 为了减少交通面积以提高其平面使用率， 以及使办公区获得最好的朝向和增强景观效果， 使办公条件更为优越， 建筑师及开发商希望作为竖向交通和附属用房部分置于朝向较差方位， 而将办公用房置于朝向好和景观效果最佳的一侧， 使办公区内实现无柱空间， 方便使用时灵活分隔， 这样就形成

21、了偏置筒体大跨度框架结构体系。*63实际工程 某办公大楼位于广州市东圃某高科技小区内，塔楼平面尺寸为 .， 地上 层， 建筑高度为 ， 标准层层高 。竖向交通和辅助用房形成的筒体位于北侧中间位置， 南侧和东西两侧均为室内无柱办公区， 由大跨度框架构成， 如图 所示。*64实际工程*65实际工程从使用角度看这样的建筑平面布置无疑是非常优越的， 不仅平面使用率高， 可灵活分隔， 且采光直接， 景观视觉好（其南向为大面积果林）。但从结构抗震概念衡量， 其平面刚度偏于一侧， 造成 向结构平面刚度不匀称， 从结构定量计算方面考虑， 各项定量计算指标（尤其是周期比和扭转位移比）能否满足规范要求， 则是结构

22、设计中必须解决的一大难点。*66结构选型 在建筑平面已定的条件下， 由于楼高在 内，故决定采用钢筋混凝土结构的筒体框架结构体系。其中大跨度框架梁 （） 由于建筑限高为 而需采用非常规结构， 框架柱截面限定不超过 ， 局部可能需要采用组合构件。*67结构布置 针对筒体偏置带来的刚度不匀称， 结构布置中有目的地弱化筒体刚度和强化南侧的框架刚度， 具体是在保证筒体剪力墙轴压比满足要求的前提下尽量缩小墙厚， 尤其是北侧的端墙， 同时有意识地增强南侧及东西两侧的裙梁刚度， 由此闭合裙梁组成的框架局部刚度与北侧筒体形成均势， 使结构整体刚度趋于均衡。楼盖平面两端以大区格 .布置井字梁， 其余部位均为单向次

23、梁（如图 ）。*68结构布置*69结构布置*70大跨度框架梁及框架柱的优化设计 本工程大跨度框架梁限高 ， 如采用普通混凝土梁， 其挠度及裂缝很难满足要求；如采用宽扁梁， 其强度挠度及裂缝均可满足要求， 但结构自重大， 配筋量大且较不经济， 故需寻求其它非常规的结构形式， 可选择的方案有 种， 即预应力梁、钢骨梁和钢混凝土组合梁。在满足承载力、裂缝和长期荷载作用的挠度要求的条件下， 各方案所确定的框架梁经济技术指标及其优缺点见表 。*71表 大跨度框架梁经济技术指标及优缺点比较*72大跨度框架梁及框架柱的优化设计 综合考虑设计、施工和长期使用的维护等因素，结合经济指标， 最后确定采用有粘结预应力梁方案。由于梁端弯矩及剪力较大， 为节省配筋， 在不妨碍使用的前提下， 梁端采取加腋方法， 使框架梁的受力、配筋都达到理想程度。*73大跨度框架梁及框架柱的优化设计 框架柱截面限定为 ， 即使采用 混凝土，底部的柱轴压比仍难以满足要求， 故底部 层采用钢管芯柱（ 如图 ）， 不仅可极大地提高柱承载力， 还能增强结构延性， 且在构造上可使框架梁主筋包括预应力筋绕过钢管锚于柱内， 以便于施工。*74结构计算结果分析 结构计算基本条件为： 抗震设防烈度为 度， 属类场地， 设计基本地震加速度 0.1， 设计地震分组为第一组， 特征周期 .； 风荷载取值为验算结构构件强度时按 年重现期 ./