高层建筑结构设计(第六讲)12

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○一二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构件配筋设计特点框筒结构的剪力滞后腹板框架翼缘框架一、框筒的剪力滞后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34）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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）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——剪力滞后现象框筒剪力滞后原因翼缘框架变形示意角柱角柱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；第二柱受压使第二跨裙梁受剪，相邻柱又承受压力；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。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——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。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，这使框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角柱面积影响剪力滞后大小的主要因素是裙梁剪切刚度(312lEISbb)与柱轴向刚度(hEAScc)的比值。梁的剪切刚度越大,剪力滞后越小。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，可减小翼缘框架和腹板框架的剪力滞后。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。框筒结构高度框筒平面形状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，高度不大的框筒，剪力滞后影响相对较大。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、正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，提高中柱的轴力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，上部小）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。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。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使楼板产生翘曲，底部楼层翘曲严重，向上逐渐减小。配置钢筋网底部钢筋上部钢筋L1L2L1/3且3000L2/3且3000钢筋网间距150l/5l/5l-较长的净跨配置斜向钢筋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，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。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）外框筒承受的剪力一般可达25%以上，倾覆力矩一般可达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，框筒与实腹筒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；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》（JGJ3-2010）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。平面框筒的性能比较。假定5种外形（圆形、正六边形、正方形、正三角形及矩形（长宽比为2））的平面面积和筒壁混凝土用量均相同规则平面框筒的性能比较平面形状圆形正六边形正方形正三角形矩形（长宽比为2）筒顶位移0.900.961.01.01.72水平荷载相同最不利柱的轴向力0.670.961.01.541.47筒顶位移0.480.831.01,632.46基本风压相同最不利柱的轴向力0.350.831,02.532.69规则平面框筒的性能比较平面形状圆形正六边形正方形正三角形矩形（长宽比为2）筒顶位移0.900.961.01.01.72水平荷载相同最不利柱的轴向力0.670.961.01.541.47筒顶位移0.480.831.01,632.46基本风压相同最不利柱的轴向力0.350.831,02.532.69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；在相同基本风压作用下，圆形平面的风载体型系数和风荷载最小，优点更为明显；矩形平面相对更差，由于正方形和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中柱角柱NN越小。一般而言，当长宽比L/B=1（即正方形）时，5~5.2NN中柱角柱；当L/B=2时，9~6NN中柱角柱；当3BL时，10NN中柱角柱，此时，中间柱已不能发挥作用，说明在设计筒中筒结构中，矩形平面的长宽比不宜大于2。正三角形平面的结构性能也较差，应通过切角使其成为六边形来改善外框筒的剪力滞后现象，提高结构的空间作用。外框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；内筒的切角不宜小于相应边长的1/10，切角处的筒壁宜适当加厚。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，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。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，内筒边长=（1/21/3）外筒边长，其边长可取筒体结构高度的1/12～1/15，一般不宜超过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。外框筒设计框筒的开孔率——框筒结构的重要参数之一当框筒孔洞的双向尺寸分别等于柱距和层高的40%（即开孔率为16%）时，截面应力分布接近实体墙，在侧向荷载作用下，框筒同一横截面的竖向应力分布接近平截面假定；当孔洞的双向尺寸分别等于柱距和层高的80%（即开孔率为64%）时，框筒的剪力滞后现象相当明显，轴力比中柱角柱NN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%。开孔率与框筒空间作用的关系（a）与轴力比的关系；（b）与用料指标的关系孔洞的形状图示框筒开孔率为36%时，孔洞形状参数s与框筒结构顶端侧移的关系。孔洞形状参数s可用下式表示21s式中，1—孔洞的高宽比；2—层高与柱距之比。孔洞形状参数s与筒体顶部侧移的关系（框筒开孔率为36%）孔洞形状参数s与筒体顶部侧移的关系（框筒开孔率为36%）由图可知，当1s时，框筒顶部侧移最小，刚度最大，说明洞口高宽比1宜尽量与层高与柱距之比2相近。柱距和梁高计算分析表明，当孔洞的开孔率和形状一定时，框筒的刚度以柱距等于层高时最佳，考虑到高层建筑的标准层层高大多在4m以内，因此在一般情况下，柱距不宜大于4m。外框筒梁的截面高度可取柱净距的1/4。角柱截面面积在侧向力作用下，框筒角柱的轴向力明显大于端柱，为了减小各层楼盖的翘曲，角柱的截面面积可适当放大，可取中柱截面面积的1～2倍，必要时可采用L形角墙或角筒。一般角柱截面面积=1.5中柱截面面积结构总高度H与宽度B大于3，才能充分发挥框筒作用。楼盖梁系的布置方式宜使角柱承受较大的竖向荷载，以平衡角柱中的拉力。框筒结构的柱截面宜做成正方形、扁矩形或T形。筒中筒结构中，框筒结构的各柱可抵抗较大的倾覆力矩。因此没有必要再在内外筒之间设置伸臂带加强层的高层建筑结构设计由于框筒结构柱距较小，在底部设置出入通道而要求加大柱距，必须布置转换层结构带转换层高层建筑结构设计五、框筒结构的内力计算精确方法：计算机分析三维空间结构分析程序估算方法：只能用于初步设计将矩形框筒简化为两个槽形竖向悬臂结构，考虑剪力滞后，槽形的翼缘宽度取值1/2腹板宽度及1/10建筑高度。框筒内力的估算简图水平荷载槽形截面中和轴第i个柱内轴力cieipciAIcMN第j个梁内剪力hISVVejpLjpM-水平荷载产生的总弯矩pV-水平荷载产生的总剪力eI-框筒简化平面对框筒中性轴的惯性矩。可以将简化平面内所有柱面积乘以柱中心到中性轴距离平方之和ciA-i柱面积h-层高jS-第j个梁中心线以外的平面面积对中性轴的面积矩六、构件配筋设计要点裙梁跨高比小，水平荷载作用下的反弯较大，易剪切破坏，应按强剪弱弯设计裙梁配筋，并按连梁要求限制其平均剪应力（剪压比）；当梁的跨高比较小时，可以采用延性较好的交叉斜撑配筋方式。抗震的框筒结构特别要注意强柱弱梁的设计要求。角柱应按双向弯曲设计柱截面配筋。如果楼盖大梁从剪力墙平面外与剪力墙相交，使剪力墙产生平面外弯矩，则要视梁端弯矩的大小采取相应措施，应设置墙垛及配筋暗柱，增强墙肢平面外的抗弯能力，要进行平面外截面受弯承载力验算。楼盖的楼板和梁构件除了进行竖向荷载下的抗弯配筋外，要考虑楼板翘曲，楼板四角要配置抗翘曲的板面斜向钢筋，或配置钢筋网。七、框架-核心筒结构实腹筒布置在周边框架内部时框架-核心筒结构框架-核心筒结构(Frame-CoreStructure)与筒中筒结构在平面形式上可能相似，但其受力性能有很大的区别：框架-核心筒结构的抗侧刚度大大小于筒中筒结构的抗侧刚度；框架-核心筒结构的翼缘框架柱子轴力小，柱数量又较少，翼缘框架承受的总轴力要比框筒小得多，轴力形成的抗倾覆力矩也小得多。框架-核心筒结构中内筒成为主要抗侧力部分，而筒中筒结构中抵抗剪力以内筒为主，抵抗倾覆力矩则以外框筒为主。分析表明，在楼板中设置连接外柱与内筒的大梁可使翼缘框架中间柱子的轴力提高，从而充分发挥周边柱的作用，设置楼板大梁的框架-核心筒结构传力体系(图c)与框架-剪力墙结构类似。框架-核心筒结构的外围框架都采用稀柱框架，当房屋较高时，结构的侧向刚度较弱，有时不能满足设计要求，此时可沿建筑物竖向利用建筑避难层、设备层空间，在核心筒与外围框架之间设置适宜刚度的伸臂构件，必要时可在周边框架柱之间增设环向构件，以构成带加强层的高层建筑结构。（a）筒中筒结构（b）框架—核心筒结构（平板体系）（c）框架—核心筒结构（梁板体系）《超高层建筑结构设计与施工》徐至钧赵锡宏主编陈祥福唐兴荣等主编机械工业出版社2007.6第四章筒体结构设计第六章转换层结构设计思考题：什么是剪力滞后效应？为什么T型、工型和闭合薄壁结构中通常会出现剪力滞后效应？