9、筒体结构

第九章筒体结构设计简介§9-1框架—核心筒结构一、主要优缺点1.两道防线，柱轴压比可放宽要求；2.抗侧移刚度大，且平面柱距大。3.设置水平加强层，虽可增强外框架柱的作用，但出现刚度突变。二、结构布置1.核心筒与外框架之间的中距，非抗震时不大于12m，抗震时不大于10m；2.核心筒的宽度不宜大于筒体总高度的1/12；3.核心筒角部不宜开洞，洞间墙截面高度不宜小于1.2m，hw/bw3时宜按框架柱设计。三、内力分布和变形特征1.核心筒是主要的抗侧力结构，通过楼板与外框架共同作用；2.大部分水平剪力由核心筒承担，倾覆力矩也承担50%以上；3.变形特征基本上同框架——剪力墙结构，属弯剪型特性。§9-2筒中筒结构内筒外框筒一、主要优缺点1.整体刚度大，稳定性好，可用于较高的高层建筑；2.外框筒落地，影响下部及地下室的公共用房使用，外立面的多样性受限制；3.如用转换梁或转换桁架，刚度突变；4.外框筒梁柱截面均较大，柱为超短柱及强梁型结构。二、结构布置1.筒中筒结构的平面外形宜选用圆形、正多边形等，内筒居中，矩形平面的长宽比不宜大于2；2.内筒变长可为高度的1/12~1/15，内筒宜贯通全高；3.三角形平面宜切角，外框筒切角长度不宜小于相应边长的1/8，内筒切角长度不已小于相应边长的1/10；4.外筒布置柱距不宜大于4m，柱截面长边应沿筒壁方向布置；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比相接近；外框筒梁的截面高度可取为柱间距的1/4；角柱面积可取为中柱的2倍。三、内力分布及变形特性1.外筒主要抗弯，内筒主要抗剪；2.外筒剪力滞后现象与裙梁的剪切刚度有关，二者成反向变化。§9-3筒体结构的计算方法一、基本假定和常用程序的计算原理1.基本假定1）采用弹性方法和弹性刚度计算内力和位移时，采用弹性方法且取用杆件的弹性刚度，但框架梁和连梁可按有关规定考虑局部塑性变形内力重分布（包括调幅和刚度折减）；2）空间工作或平面协同工作模型i）空间工作——三维分析，梁柱及板壳有限元模型节点为6个自由度，薄壁柱模型增加扭转翘曲变形自由度；ii）平面协同工作——梁柱及剪力墙壁式框架模型节点自由度均为3个自由度；3）楼板在自身平面内的刚度假定i）刚性楼板假定设计中应采取措施保证楼板整体刚度。下列情况宜考虑变形影响：楼板整体性较弱；有大开孔；楼板有较长的外伸段；作为转换层的楼板。ii）弹性楼板假定局部楼板有大开孔、较长的外伸段时，宜按弹性楼板考虑。4）空间分析时构件的各种变形影响剪切变形、扭转变形——梁、柱、剪力墙均要考虑；轴向变形——柱、墙要考虑，梁视具体情况决定；翘曲变形——薄壁柱模型。5）竖向荷载作用下施工的逐层加载影响一般宜作考虑，避免因柱、墙轴向变形使梁柱出现异常内力分布。2.静力分析的基本原理矩阵位移法。二、筒体结构的简化分析方法1.水平荷载在框架（框筒）和实腹筒体间的分配按框架——剪力墙的协同工作方法来分配剪力。集成总剪力墙时可以考虑箱形截面的翼缘参与工作，每侧翼缘有效宽度取以下计算的最小值：实腹筒体墙厚度的6倍；实腹筒体墙轴线至翼缘墙洞口边的距离；实腹筒体墙总高度的1/10。2.估算框筒梁柱截面的槽形截面法1）等效槽形截面BL等效槽形截面有效翼缘宽度取下列最小值：框筒腹板框架全宽B的1/2；框筒翼缘框架全宽L的1/3；框筒总高度的1/10。2）整体弯曲内力组合截面惯性矩为：mjmjjcjcjFyAJJ112框筒柱的轴力和梁的剪力、弯矩分别为：FcjjcjJAMyNFjbjJhVSV式中：M、V——框筒结构承受的楼层弯矩和楼层剪力；Sj——梁到双槽形截面边缘间各柱截面面积对槽形截面形心的静面积矩；h——框筒结构楼层高度。bjjbjVlM203）局部弯曲内力框筒柱的剪力和弯矩分别为：VDDVjjcj2hVyVMcjcjcj3.展开平面框架法腹板框架翼缘框架虚拟构件一般情况下框筒是双对称的，可以取其四分之一进行计算。腹板框架对称轴上，柱的轴向位移为零，可用竖向约束来表示；翼板框架对称轴上，柱的水平位移为零，可用水平约束来表示。角柱使腹板框架柱的轴向变形传递到翼板框架上，故角柱可用一个只传递剪力，但不传递弯矩和轴力的虚拟构件来表示§9-4复杂高层建筑结构一、复杂高层建筑结构的类型及应用限制1.复杂高层建筑结构类型1）带转换层的结构；2）带加强层的结构；3）错层结构；5）联体结构；5）多塔结构。2.复杂结构的应用限制1）9度抗震时：不应采用带转换层、带加强层、错层和连体结构；2）7度和8度抗震时：不宜同时采用超过上述两种复杂结构；3）房屋适用高度：剪力墙结构为错层结构时：7度：H≤80m；8度：H≤60m；框剪结构为错层结构时：7度：H≤80m；8度：H≤60m；4）B级高层建筑结构的限制：不宜采用连体结构；底部带转换层的筒中筒结构，外框筒高度要降低；二、带转换层的结构1.主要优缺点：优点：适应建筑适用功能要求；缺点：转换层处刚度突变、变形突变、内力重分布，不利于抗震；框支柱截面很大，形成超短柱；落地剪力墙布置不易符合对称要求，数量也不易满足。2.转换层的结构布置要求1）转换层结构构件梁、桁架、空腹桁架、斜撑等；非抗震和6度抗震时，可采用厚板转换层；7度和8度抗震时的地下室，可采用厚板转换层。2）高位转换层的限制底层大空间部分框支剪力墙结构，在地面以上的层数需符合下列规定：8度不超过3层；7度不超过5层；框架—筒体和筒中筒结构，转换层的层数可适当增加。3）底部转换层的墙厚及刚度要求转换层上部结构和下部结构的侧向刚度比值应符合下列规定：底部大空间为1层时，上下层等效刚度比γ：非抗震时γ≦3；抗震时γ≦2；底部大空间大于1层时，上下层等效刚度比γ：非抗震时γ≦3；抗震时γ≦1.3；转换层设置在3层或3层以上时，应使下部楼层侧向刚度D下≥0.6D上；三、带加强层的结构1.带加强层结构的形成1）主要用于框架—核心筒结构及筒中筒结构体系中。通过设置加强层使内外体系更好地共同工作，减小层间位移角及位移；2）常利用建筑避难层和设备层设置加强层，在该层内设置水平伸臂结构，必要时再设置周边水平环带构件；3）水平伸臂结构和水平环带构件可采用斜腹杆桁架、实体梁等；2.结构布置1）加强层的位置和数量宜经优化比较后确定；设置1个加强层时，其位置可在0.6H附近；设置2个加强层时，其位置可在顶层和0.5H附近；设置多个加强层时，其位置宜沿竖向从顶层向下均匀布置。2）水平伸臂构件与核心筒及周边框架柱的连接位置宜与贯通核心筒的主要剪力墙相连，如核心筒角部、T形节点处；水平伸臂外端应与周边框架柱直接相连，节点宜为铰接或半刚接。3.内力分布与变形特性1）工作机理水平伸臂构件弯剪刚度较大，迫使与其相连的外框架柱与核心筒共同工作；周边环带构件弯剪刚度较大，迫使周边框架柱均参与整体工作；水平伸臂使核心筒主要剪力墙两侧的两根边框架柱产生一拉一压轴力，从而形成很大的反向力矩；此反向力矩部分地抵消剪力墙所承担的倾覆力矩，如同存在一反向荷载减小结构的水平位移量。2）刚度突变，宜对该层上下层框架柱和核心筒配筋予以加强；3）伸臂构件施工应采取措施，减小受竖向构件轴向变形的影响。四、错层结构1.结构布置1）抗震设计时应采用防震缝划分为独立结构单元；2）错层两侧宜采用结构布置和侧向刚度相近的体系；3）错层交界处的抗侧力结构应加强。2.内力分布和变形特性错层结构中，错开的楼层应均参加结构整体计算，一般不应归并为一个楼层计算；结构水平位移曲线在错层处存在折点，不同于两侧的曲线。五、连体结构1.结构布置1）连体结构的各自独立部分宜有相近体型、平面和侧向刚度；2）7度8度抗震结构，层数和侧向刚度相差悬殊的建筑不宜连体；3）连接体结构与主体结构宜采用刚接连接。2.内力分布和变形特性1）8度抗震时，连接体应考虑竖向地震作用；2）应考虑复杂的耦连振动和扭转效应；3）常形成超长结构，应考虑温度应力的影响。六、多塔结构1.结构布置1）塔楼相对于底盘宜对称布置，二者质心距离不宜大于底盘相应边长的20%；2）抗震设计时，转换层不宜设置在底盘屋面的上一层塔楼内；3）各特楼的层数、平面形状和刚度宜接近。2.内力分布和变形特性1）各塔楼质量和刚度相差较大或平面不对称时，将产生较大的扭转振动；2）各塔楼结构在底盘部位应保持较大的侧向刚度；