框筒、筒中筒与空间结构介绍（PPT28张）

高层层建建筑筑结结构构设设计计土木木工工程程系系第9章框筒筒、、筒筒中中筒筒与与空空间间结结构构第9章框筒筒、、筒筒中中筒筒与与空空间间结结构构通过过本本章章学学习习，，了了解解结结构构按按空空间间结结构构和和平平面面结结构构简简化化计计算算的的原原则则和和区区别别，，了了解解框框筒筒、、筒筒中中筒筒结结构构的的特特点点和和布布置置要要点点，，知知道道框框筒筒以以及及筒筒中中筒筒结结构构的的计计算算方方法法。。平面面结结构构与与空空间间结结构构述述框筒筒与与筒筒中中筒筒结结构构特特点点及及布布置置要要求求框筒筒及及筒筒中中筒筒结结构构计计算算简简介介广东东国国际际大大厦厦，，63层，，200m，钢筋筋混混凝凝土土内内筒筒体体，，外外筒筒由由钢钢骨骨混混凝凝土土和和钢钢柱柱组组成成深圳圳国国际际贸贸易易中中心心大大厦厦，，50层，，158m，钢筋筋混混凝凝土土筒筒体体，，外外筒筒由由钢钢骨骨混混凝凝土土和和钢钢柱柱组组成成广东东国国际际大大厦厦，，63层，，200m，钢筋筋混混凝凝土土内内筒筒体体，，外外筒筒由由钢钢骨骨混混凝凝土土和和钢钢柱柱组组成成2022/10/278平面面结结构构与与空空间间结结构构述述一般般而而言言，，任任何何一一个个建建筑筑都都是是空空间间结结构构，，任任何何一一个个结结构构都都能能承承受受来来自自不不同同方方向向力力的的作作用用，，结结构构中中的的每每个个构构件件都都与与不不在在同同一一平平面面的的其其它它构构件件相相连连接接，，形形成成三三维维的的传传力力体体系系。。但但通通常常将将结结构构简简化化为为平平面面结结构构进进行行分分析析。。框框架架、、剪剪力力墙墙、、框框架架－－剪剪力力墙墙结结构构都都可可以以简简化化平平面面结结构构进进行行计计算算。。平面面框框架架及及空空间间框框架架示示意意一、、平平面面结结构构分分析析空间间结结构构简简化化为为平平面面结结构构是是有有一一定定条条件件的的，，多多数数结结构构符符合合这这些些条条件件，，但但是是一一些些结结构构并并不不满满足足这这些些条条件件，，这这时时就就必必须须采采用用空空间间分分析析方方法法。。如如上上图图所所示示的的框框架架结结构构，，在在各各个个柱柱之之间间都都设设置置一一定定刚刚度度的的梁梁，，形形成成纵纵横横交交叉叉的的框框架架。。当当沿沿y方向向作作用用水水平平力力时时，，由由于于y方向向框框架架的的作作用用，，1、、4、、7柱柱压压缩缩，，而而3、、6、、9柱柱拉拉伸伸。。当当各各框框架架尺尺寸寸基基本本相相同同时时，，各各柱柱的的压压缩缩或或者者拉拉伸伸是是接接近近的的，，此此时时x方向向的的梁梁受受力力很很小小，，这这些些柱柱在在x方向向的的弯弯曲曲变变形形（（出出平平面面变变形形））也也很很小小，，这这时时按按平平面面框框架架（（共共3片片））进进行行分分析析带带来来的的误误差差很很小小。。如如果果这这3片片框框架架尺尺寸寸不不相相同同（（梁梁、、柱柱截截面面或或者者层层高高）），，那那么么各各柱柱的的拉拉伸伸或或者者压压缩缩并并不不相相同同，，在在作作平平面面结结构构假假定定时时，，不不考考虑虑相相邻邻平平面面结结构构之之间间竖竖向向变变形形的的协协调调，，会会带带来来一一些些误误差差，，但但只只要要x方向向的的梁梁刚刚度度不不太太大大，，这这些些误误差差在在工工程程也也是是允允许许的的。。从力力学学上上说说，，平平面面结结构构应应是是假假定定该该片片结结构构只只是是在在y方向向平平面面具具有有刚刚度度并并受受力力（（2维维）），，出出平平面面的的刚刚度度为为0，，不不产产生生出出平平面面的的内内力力。。因因此此，，每每个个节节点点只只有有三三个个自自由由度度，，如如下下图图所所示示：：在平平面面结结构构中中，，各各片片框框架架之之间间的的水水平平位位移移是是通通过过楼楼板板协协调调的的。。假假定定楼楼板板在在平平面面内内为为无无限限刚刚性性，，可可以以使使同同一一楼楼层层的的所所有有节节点点水水平平位位移移相相同同，，或或者者各各片片框框架架水水平平位位移移也也有有线线性性关关系系，，这这可可以以大大大大减减少少分分析析中中的的未未知知变变量量，，在在大大多多数数情情况况下下与与实实际际情情况况也也是是符符合合的的。。假假定定楼楼板板在在其其平平面面外外刚刚度度很很小小，，这这就就表表明明各各片片框框架架之之间间的的竖竖向向变变形形是是独独立立的的，，也也即即忽忽略略了了竖竖向向变变形形的的协协调调。。平面面受受力力及及空空间间受受力力杆杆件件二、、空空间间结结构构分分析析左图图所所示示的的结结构构则则不不同同。。在在y方向向，，仅仅有有1－－5、、6－－10两两片片框框架架，，11－－12、、13－－14、、15－－16不不能能形形成成y方向向框框架架，，因因为为11、、12之之间间只只有有楼楼板板，，跨跨度度大大而而线线刚刚度度太太小小，，不不能能形形成成y方向向框框架架梁梁。。因因此此，，在在y方向向水水平平力力作作用用下下，，1－－5、、6－－10形形成成腹腹板板框框架架，，1、、2、、6、、7柱柱受受压压；；4、、5、、9、、10柱柱受受拉拉。。但但是是，，只只要要x方向向的的梁梁刚刚度度足足够够大大，，当当角角柱柱压压缩缩或或者者拉拉伸伸变变形形时时，，会会使使相相邻邻柱柱（（11、、15柱柱））也也产产生生竖竖向向变变形形。。这这样样，，在在水水平平力力作作用用下下，，11、、13、、15柱柱受受压压，，12、、14、、16柱柱受受拉拉，，x方向向框框架架梁梁和和柱柱参参加加受受力力。。在在这这类类结结构构中中，，必必须须同同时时考考虑虑x、、y两方方向向构构件件的的变变形形，，必必须须考考虑虑不不在在同同一一平平面面内内框框架架的的共共有有柱柱竖竖向向变变形形的的协协调调，，每每个个节节点点有有6个个自自由由度度，，如如右右图图所所示示：：平面面框框架架及及空空间间框框架架示示意意平面面受受力力及及空空间间受受力力杆杆件件这种种分分析析称称为为空空间间结结构构（（3维维））分分析析。。空空间间结结构构分分析析自自由由度度较较多多，，计计算算工工作作量量增增大大，，为为了了减减少少未未知知量量数数目目，，在在空空间间分分析析中中也也常常常常采采用用楼楼板板在在其其自自身身平平面面内内无无限限刚刚性性，，在在平平面面外外刚刚度度为为0的的假假定定，，这这个个假假定定通通常常是是符符合合实实际际的的。。但但即即使使如如此此，，空空间间分分析析的的自自由由度度数数目目仍仍然然很很大大，，因因此此，，在在工工程程中中，，当当符符合合平平面面假假定定时时采采用用平平面面结结构构分分析析方方法法。。平平面面结结构构空空间间协协同同工工作作计计算算可可以以考考虑虑结结构构扭扭转转，，但但仍仍然然是是在在平平面面结结构构假假定定基基础础上上，，只只是是考考虑虑了了楼楼板板的的刚刚体体转转动动。。当当不不考考虑虑扭扭转转时时，，称称为为平平面面结结构构平平移移分分析析。。布布置置规规则则，，能能清清楚楚分分出出一一片片一一片片抗抗侧侧力力单单元元的的结结构构中中，，如如果果各各片片结结构构在在平平面面内内有有较较大大刚刚度度，，并并且且平平面面外外刚刚度度很很小小或或者者相相互互联联系系及及约约束束不不太太强强时时，，可可以以简简化化为为平平面面结结构构。。下下图图所所示示的的结结构构必必须须按按照照空空间间结结构构进进行行分分析析。。空间结构构示例框筒与筒筒中筒结结构特点点及布置置实腹筒与与框筒都都是充分分利用结结构的空空间性能能，做成成三维受受力的筒筒式结构构。剪力滞后后现象一、框筒筒结构1.水平力力作用下下，框筒筒结构中中除腹板板框架抵抵抗倾覆覆力矩外外，翼缘缘框架柱柱主要是是通过承承受轴力力抵抗倾倾覆力矩矩。2.剪力滞滞后：定义：翼翼缘框架架中横梁梁的弯曲曲和剪切切变形，，使得翼翼缘框架架各柱轴轴力向中中心中间间递减，，称为剪剪力滞后后现象，，如图所所示：筒体结构构的受力力与变形形特点框筒的受受力特点点（空间间整体受受力）——剪力滞后后剪力——腹板框架架（通常常内筒承承担大部部分）弯矩——翼缘框架架（外筒筒大）变形特点点——剪弯型back剪力滞后后的特点点：①①剪力滞滞后引起起柱轴力力分布不不均匀沿沿框筒高高度也是是变化的的，以下下图为例例。上图是对对深圳国国贸中心心大厦静静力分析析得到的的1、20、43层翼翼缘框架架轴力分分布图，，由于对对称，只只画出了了半个框框架。由由图可见见，底部部剪力滞滞后现象象相对严严重一些些，愈向向上柱轴轴力减小小，分布布也趋于于平缓。。②剪力滞滞后导致致远离角角柱的柱柱子不能能充分发发挥作用用，角柱柱以及腹腹板框架架必须担担负更多多内力。。从而使使得空间间作用减减少，结结构将耗耗费更多多的材料料。减少剪力力滞后的的主要措措施：缩小柱间间距，加加大梁高高，形成成“密柱柱深梁””。框筒结构构将“密密柱深梁梁”布置置在建筑筑物外围围，既可可以充分分利用材材料的轴轴向承载载能力，，使结构构具有很很大抗侧侧刚度和和抗扭刚刚度，又又可以增增大内部部空间的的使用灵灵活性，，是经济济而高效效的一种种抗侧力力结构。。3.影响响翼缘框框架发挥挥作用的的因素：：①梁、柱柱刚度比比②框筒的的平面形形状和高高宽比。。例如：翼翼缘框架架很长时时，剪力力滞后导导致距离离角柱过过远的中中间部分分柱轴力力很小。。框筒高宽宽比比较较小时，，整体弯弯曲变形形减小，，水平荷荷载将主主要由腹腹板框架架承担，，翼缘框框架轴力力较小，，发挥作作用不大大。二、筒中中筒结构构定义：框框筒和内内筒共同同组成的的结构，，一般内内筒常常常做成钢钢筋混凝凝土实腹腹筒。同时，内内筒减小小了楼板板跨度，，并且可可以布置置竖向交交通以及及管道，，使用也也很合理理。因此，筒筒中筒结结构受力力合理、、经济，，还可以以满足建建筑使用用要求，，是建造造50层层以上高高层建筑筑较好的的结构体体系。框筒与筒筒中筒结结构典型型平面受力特点点：内筒筒与外筒筒协同工工作，类类似于框框架－剪剪力墙的的协同工工作。外框筒侧侧向变形形沿高度度分布具具有剪切切型变形形特点，，而内实实腹筒的的侧向变变形具有有弯曲型型变形特特点。内筒与外外筒之间间通过楼楼板协同同工作抵抵抗水平平力，可可以使层层间变形形更加趋趋于均匀匀，框筒筒的内力力在上部部和下部部也趋于于均匀。。①框筒必必须做成成密柱深深梁，以以减小剪剪力滞后后，充分分发挥结结构空间间作用。。一般情情况下，，柱距为为1～3m，最大为4.5m；窗裙梁跨跨高比约约为3～～4，窗窗洞面积积一般不不得超过过建筑面面积的50％；；三、框筒筒结构和和筒中筒筒结构布布置要点点：②框筒平平面宜接接近方形形、圆形形、矩形形截面则则要保证证长短边边的比值值不宜超超过2，，否则在在较长的的一边，，剪力滞滞后现象象会比较较严重，，长边中中部的柱柱子不能能充分利利用；③结构总总高度与与宽度之之比大于于3时，，才能充充分发挥挥框筒作作用，在在矮而胖胖的结构构中不宜宜采用框框筒或者者筒中筒筒结构体体系；④内筒面面积不宜宜过小，，通常，，内筒边边长为外外筒边长长的1/2～1/3较较为合合理，一一般情况况下，内内、外筒筒之间不不再设置置柱子；；⑤筒中筒筒结构中中的楼盖盖不仅承承受竖向向荷载，，在水平平荷载作作用下还还起着刚刚性隔板板作用，，一方面面，内、、外筒通通过楼盖盖联系并并协同工工作，另另一方面面，它维维持筒体体的平面面形状。。因此，，楼盖是是筒中筒筒结构中中的重要要构件。。但是，楼楼板构件件（楼板板、梁））的高度度不宜太太大，要要尽量减减小楼盖盖构件与与柱子间间的弯矩矩传递，，有的筒筒中筒结结构将楼楼板与柱柱的连接接处理成成铰接，，多数钢钢筋混凝凝土筒中中筒结构构中，楼楼盖做成成平板式式或者密密肋楼盖盖以减小小端弯矩矩，使框框筒结构构的空间间结构传传力体系系更加明明确。内内、外筒筒间距一一般为10～12m；⑥因为梁、、柱的弯弯矩主要要在腹板板框架和和翼缘框框架的平平面内，，框架平平面外的的柱弯矩矩较小，，因此框框筒结构构的柱截截面宜做做成正方方形和扁扁矩形，，也即矩矩形柱截截面的长长边沿外外框周圈圈方向布布置；⑦角柱截截面要增增大，它它承受较较大轴向向力，截截面较大大可以减减少压缩缩变形，，因此角角柱面积积为中柱柱面积的的1.2～1.5倍为为宜；⑧由于剪剪力滞后后，各柱柱的竖向向压缩量量不同，，角柱压压缩变形形最大，，因此，，楼板四四角下沉沉较多，，楼板出出现翘曲曲现象，，楼板设设计时要要注意增增加四角角的配筋筋以抵抗抗翘曲开开裂。框筒及筒筒中筒结结构计算算简介框筒和筒中中筒结构都都应该按空空间结构分分析其内力力以及位移移。精确的的空间计算算工作量很很大，在工工程应用时时都要做一一些简化。。由于简化化的方法和和程度不同同，框筒和和筒中筒结结构的计算算方法繁多多，各有特特点。框筒：将框框筒的梁、、柱简化为为带刚域杆杆件，按空空间杆系方方法求解，，每个节点点有6个自自由度。筒筒中筒筒：将外筒筒看成薄壁壁杆件，外外筒与内筒筒通过楼板板连接协同同工作。同同时假定楼楼板为平面面内无限刚刚性板，忽忽略其平面面外刚度，，楼板的作作用只是保保证内、外外筒具有相相同的水平平位移，而而楼板与筒筒之间无弯弯矩传递关关系。本本方法需要要通过计算算机程序，，是目前用用得最多的的方法。带刚域框架架计算简图图一、空间构构件有限元元矩阵位移移法二、等效连连续体法框筒的四片片框架用四四片等效均均匀的正交交异性平板板代替，形形成一个等等效实腹筒筒，求出平平板内的竖竖向应力后后再回复到到梁、柱内内力。内筒筒为实腹筒筒体，与外外筒协同工工作。通常常通过弹性性力学方法法得到函数数解，也可可以通过程程序计算。。将外筒以及及内筒均沿沿高度划分分为竖向条条带，条带带的应力分分布用函数数表示，条条带连接处处上的位移移为未知函函数，通过过求解位移移函数得到到应力。这这种方法比比平面有限限元方法大大大减少未未知量，适适于在规则则的高层建建筑结构的的空间分析析中采用。。外筒与内内筒也通过过无限刚性性楼板连接接协同工作作。也需要要通过程序序计算。带刚域框架架计算简图图三、有限条条方法四、平面结结构分析方方法矩形平面的的框筒结构构在水平荷荷载作用下下的分析可可以简化成成等效平面面结构，然然后按平面面结构方法法计算。这这样可以使使用平面框框架的分析析程序，比比较方便。。如上图所示示，具有对对称轴的矩矩形平面框框筒，将翼翼缘框架旋旋转90度度后，与腹腹板框架在在同一平面面内，成为为平面框架架。根据空空间结构的的受力特点点，可以建建立出平面面框架的计计算简图。。

腹板框框架与一般般平面框架架类似，承承受框架平平面内的水水平剪力与与倾覆弯矩矩，引起梁梁、柱弯曲曲、剪切与与轴向变形形。翼缘框框架的变形形与内力则则主要是由由于角柱的的轴向变形形产生。故故由翼缘展展开后形成成的平面框框架计算简简图如下图图：框筒结构翼翼缘展开法法1.翼缘展展开法将角柱一分分为二，一一部分属于于腹板框架架（面积为为角柱的一一般，惯性性矩取为绕绕y轴方向形心心轴的惯性性矩），另另一部分属属于翼缘框框架（面积积为角柱的的一般，惯惯性矩取为为绕x轴方向形心心轴的惯性性矩），两两者之间用用一个虚拟拟的刚性剪剪切梁连接接，该梁的的剪切刚度度很大，弯弯曲刚度以以及轴向刚刚度都很小小，只能传传递剪力，，可以保证证角柱的两两个部分具具有相同的的轴向变形形。如如果框筒完完全对称，，可以取1/4框筒筒计算。此此时，根据据其变形特特点选择边边界约束，，翼缘框架架的中点（（C）水平位移和和弯矩为0，竖向