高层建筑结构设计 8筒体结构设计 第8章筒体结构设计 主要内容 结构布置(了解) ■框架一核心筒结构的布置(熟悉) ■筒体结构简化计算方法(了解) ■筒体结构截面设计及构造(了解) 8.1筒体结构布置(框筒、筒中筒和束筒) 筒体结构布置除了应符合高层建筑的一般布置原则,还有要考虑如何合理布置,减小 剪力滞后,以充分发挥所有柱子的作用。 ●平面以正多边形为最佳,且边数越多,剪力滞后现象越不明显,空间作用越大。 圆形和正多边形最好,椭圆形、矩形也可,三角形平面宜切角 ●高宽比不应小于3,并宜大于4,其适用高度不宜低于60m,以充分发挥筒体 结构的作用 ●筒中筒结构中的外框筒宜做成密柱深梁,柱距为1~3m,密柱深梁可减小剪力 滞后 ●框筒的柱截面宜做成正方形、矩形或T形。 矩形长边应与腹板或翼缘框架方向一致(梁、柱弯矩主要在框架平面内) ●内筒宜居中,面积不宜太小 边长可为高度的1/12-1/15,也可为外筒边长的1/2-1/3,其高宽比一般约为12 ●框筒结构柱距较小,在底层因出入通道的要求加大柱距,必须布置转换结构, 内筒应一直贯通到基础底板。 楼盖构件(包括楼板和梁)的高度不宜太大(尽量减小楼盖构件与柱子之间的弯 矩传递)。 楼盖形式:平板、密助楼盖、压型钢板 lI 图8.1.1筒体结构梁板式楼面布置示意图
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 1 - 第 8 章 筒体结构设计 主要内容 结构布置（了解） 框架－核心筒结构的布置（熟悉） 筒体结构简化计算方法 （了解） 筒体结构截面设计及构造（了解） 8.1 筒体结构布置（框筒、筒中筒和束筒） 筒体结构布置除了应符合高层建筑的一般布置原则，还有要考虑如何合理布置，减小 剪力滞后，以充分发挥所有柱子的作用。 z 平面以正多边形为最佳，且边数越多，剪力滞后现象越不明显，空间作用越大。 圆形和正多边形最好，椭圆形、矩形也可，三角形平面宜切角。 z 高宽比不应小于 3，并宜大于 4，其适用高度不宜低于 60 m ，以充分发挥筒体 结构的作用； z 筒中筒结构中的外框筒宜做成密柱深梁，柱距为1 ~ 3m ，密柱深梁可减小剪力 滞后。 z 框筒的柱截面宜做成正方形、矩形或 T 形。 矩形长边应与腹板或翼缘框架方向一致（梁、柱弯矩主要在框架平面内） z 内筒宜居中，面积不宜太小。 边长可为高度的 1/12-1/15，也可为外筒边长的 1/2-1/3，其高宽比一般约为 12。 z 框筒结构柱距较小，在底层因出入通道的要求加大柱距，必须布置转换结构， 内筒应—直贯通到基础底板。 z 楼盖构件(包括楼板和梁)的高度不宜太大（尽量减小楼盖构件与柱子之间的弯 矩传递）。 楼盖形式：平板、密助楼盖、压型钢板
高层建筑结构设计 8筒体结构设计 8.2框架核心筒结构的布置 框架-核心筒结构的受力特点(与筒中筒结构相比) 框架一核心筒与筒中筒,在平面上相似,但受力性能却有很大区别 框筒结构,剪力滞后现象较明显 框架一核心筒,除角柱,其它柱的轴力很小 框架-核心筒结构,因为有实腹筒存在,我国《高层规程》将其归入筒体结构,但就其 受力性能来说,更接近于框架-剪力墙结构。 M①区 铝:田 一一一一一 3K1100330 bb电感 (b) 图8.2.1筒中筒结构和框架-核心筒结构 (1)柱轴力的比较 框架一核心筒的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 (2)顶点位移、基本周期的比较 框架一核心筒结构的自振周期长,顶点位移及层间位移都大。 表8.1筒中筒结构与框架-核心筒结构抗侧刚度比较 顶点位移 最大层间位移 结构体系周期(s) 4、(mm) Au/h 筒中筒 3.87 l/2642 框架核心筒665 21949 1/852 /647 (3)基底剪力、倾覆力矩的比较 框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分,而筒中筒结枃中抵抗剪力以实腹筒为主,抵抗倾 覆力矩则以外框筒为主 表8.2筒中筒结构与框架-核心筒结构内力分配比较(%) 结构体系 基底剪力 倾覆弯矩 实腹筒 周边框架实腹筒 周边框架 27.4% 66.0% 框架-核心筒 194% 73.6% 26.4% (4)平板楼盖、梁板楼盖时的比较
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 2 - 8.2 框架核心筒结构的布置 1 框架-核心筒结构的受力特点(与筒中筒结构相比) 框架一核心筒与筒中筒，在平面上相似，但受力性能却有很大区别。 z 框筒结构，剪力滞后现象较明显 z 框架一核心筒，除角柱，其它柱的轴力很小。 框架-核心筒结构，因为有实腹筒存在，我国《高层规程》将其归入筒体结构，但就其 受力性能来说，更接近于框架-剪力墙结构。 （1）柱轴力的比较 框架一核心筒的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； （2）顶点位移、基本周期的比较 框架一核心筒结构的自振周期长，顶点位移及层间位移都大。 表 8.1 筒中筒结构与框架-核心筒结构抗侧刚度比较 顶点位移 最大层间位移 结构体系 周期（s） ut ( ) mm ut H Δu h 筒中筒 3.87 70.78 1/2642 1/2106 框架-核心筒 6.65 219.49 1/852 1/647 （3）基底剪力、倾覆力矩的比较 框架一核心筒结构中实腹筒成为主要抗侧力部分，而筒中筒结构中抵抗剪力以实腹筒为主，抵抗倾 覆力矩则以外框筒为主。 表 8.2 筒中筒结构与框架-核心筒结构内力分配比较（%） 基底剪力 倾覆弯矩 结构体系 实腹筒 周边框架 实腹筒 周边框架 筒中筒 72.6% 27.4% 34.0% 66.0% 框架-核心筒 80.6% 19.4% 73.6% 26.4% （4）平板楼盖、梁板楼盖时的比较
高层建筑结构设计 8筒体结构设计 平板楼板,基本不传递弯矩和剪力: 梁板楼板,可以提高中间柱子的轴力、提高抗倾覆力矩。 图823 内力比较 →表 8.3 080 板 平枚 3NIlUUH-33ULN 图8.2.3框架-核心筒结构翼缘框架轴力分布比较 表83有、无楼板大梁的框架-核心筒结构抗侧刚度和内力分配的比较 顶点位移 结构体系周期(s) 最大层间位移基底剪力(%) 倾覆弯矩 t/H /h实腹筒周边框架实腹筒 边们 筒中筒 665219491852 1647 194|736 64 郴架核心简5141317141514 14.2 44 456
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 3 - 平板楼板，基本不传递弯矩和剪力； 梁板楼板，可以提高中间柱子的轴力、提高抗倾覆力矩。 图 8.2.3 内力比较 表 8.3
高层建筑结构设计 8筒体结构设计 8.3筒体结构计算方法 筒体结构是空间整体受力,且有剪力滞后现象,应采用三维空间分析方法 本节主要介绍几个简化的手算方法,适用于方案阶段估算截面尺寸。 等效槽形截面近似估算方法 在水平荷载作用下,框筒结构出现明显的剪力滞后现象: 翼缘框架在靠近腹板框架的地方轴力较大,中间的柱子受力较小 因此,可将靠近腹板的翼缘框架作为腹板框架的有效翼缘,不考虑中部框筒柱的作用。 框筒结构—·两个等效槽形截面(图8.3.1)。 由于剪力滞后 造成的应力 实的文日工mm日 有效翼缘室度 ■■■■■■ 两个等效形截 有效翼缘宽度水平荷载 图8.3.1等效槽形截面 翼缘有效宽度:取小值:框筒腹板框架宽度的1/2,框筒翼缘框架宽度的1/3,框筒总 高度的1/10。 弯曲刚度EI2:按材料力学组合截面惯性矩的计算方法计算 l=∑+∑4y (8.3.1) 式中,l4分别为槽形截面各柱的惯性矩和截面面积:y为柱中心至槽形截面形心的距离 荷载分配 筒中筒:按框筒刚度EL、内筒刚度EL的比例分配总水平力, 框筒各楼层产生的剪力V和倾覆力矩M 按双槽形截面悬臂梁,计算槽形截面内柱和裙梁的内力 (8.3.2) (83.3)
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 4 - 8.3 筒体结构计算方法 筒体结构是空间整体受力，且有剪力滞后现象，应采用三维空间分析方法。 本节主要介绍几个简化的手算方法，适用于方案阶段估算截面尺寸。 1 等效槽形截面近似估算方法 在水平荷载作用下，框筒结构出现明显的剪力滞后现象： 翼缘框架在靠近腹板框架的地方轴力较大，中间的柱子受力较小， 因此，可将靠近腹板的翼缘框架作为腹板框架的有效翼缘，不考虑中部框筒柱的作用。 框筒结构 两个等效槽形截面（图 8.3.1）。 图 8.3.1 等效槽形截面 翼缘有效宽度：取小值：框筒腹板框架宽度的 1/2，框筒翼缘框架宽度的 1/3，框筒总 高度的 1/10。 弯曲刚度 EI e ：按材料力学组合截面惯性矩的计算方法计算 ∑ ∑ = = = + m j cj j m j e cj I I A y 1 2 1 （8.3.1） 式中， cj Acj I 、 分别为槽形截面各柱的惯性矩和截面面积； j y 为柱中心至槽形截面形心的距离。 荷载分配： 筒中筒：按框筒刚度 EI e 、内筒刚度 EI w 的比例分配总水平力， 框筒各楼层产生的剪力V 和倾覆力矩M 。 按双槽形截面悬臂梁，计算槽形截面内柱和裙梁的内力 e cj cj cj I My A N = （8.3.2） e bj I VSh V = （8.3.3）
高层建筑结构设计 8筒体结构设计 M、V一分别为水平力产生的整体弯矩和楼层剪力;S一所求剪力的梁到双槽形截面边缘间各柱 截面面积对框筒中性轴的静矩;h一求剪力的梁所在高度处框筒的层高(若梁上、下的层高不同,取平 均值)。 等效平面框架法一翼缘展开法 将空间问题转化为平面问题,可利用平面框架的有限元程序进行分析。 两点基本假定: (1)对筒体结构的各榀平面单元,可只考虑单元平面内的刚度。 (2)楼盖在其自身平面内的刚度为无穷大,各层楼板在水平面内作平面运动 (a) 翼缘框架 腹板框梨 矩形角柱 L形角柱 传递竖向剪力的虑拟梁 图8.3.2翼缘展开法计算简图 可取其1/4进行计算 当框筒发生弯曲变形时,翼缘框架平面外的水平位移不引起内力。在对称荷载下,翼 缘框架在自身平面内没有水平位移。因此,可把翼缘框架绕角柱转90°角,使与腹板框架 处于同一平面内,以形成等效平面框架体系 内外筒各榀平面结构在自身平面外的作用可忽略(只有平面内的作用,需考虑)。 空间杆系-薄壁柱矩阵位移法 空间杆系-薄壁柱矩阵位移法是将框筒的梁、柱简化为带刚域杄件,按空间杆系方法求 解
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 5 - M、V —分别为水平力产生的整体弯矩和楼层剪力； S —所求剪力的梁到双槽形截面边缘间各柱 截面面积对框筒中性轴的静矩；h —求剪力的梁所在高度处框筒的层高（若梁上、下的层高不同，取平 均值）。 2 等效平面框架法—翼缘展开法 将空间问题转化为平面问题，可利用平面框架的有限元程序进行分析。 两点基本假定： （1）对筒体结构的各榀平面单元，可只考虑单元平面内的刚度。 （2）楼盖在其自身平面内的刚度为无穷大，各层楼板在水平面内作平面运动。 可取其 1/4 进行计算 当框筒发生弯曲变形时，翼缘框架平面外的水平位移不引起内力。在对称荷载下，翼 缘框架在自身平面内没有水平位移。因此，可把翼缘框架绕角柱转 900 角，使与腹板框架 处于同一平面内，以形成等效平面框架体系。 内外筒各榀平面结构在自身平面外的作用可忽略（只有平面内的作用，需考虑）。 3 空间杆系-薄壁柱矩阵位移法 空间杆系-薄壁柱矩阵位移法是将框筒的梁、柱简化为带刚域杆件，按空间杆系方法求 解
高层建筑结构设计 8筒体结构设计 84筒体结构的截面设计及构造要求 筒体结构应采用现浇混凝土结构,混凝土强度等级不宜低于C30;框架节点核心区的 混凝土强度等级不宜低于柱的混凝土强度等级,且应进行核心区斜截面承载力计算;特殊 情况下不应低于柱混凝土强度等级的π0%,但应进行核心区斜截面和正截面承载力验算 由于剪力滞后,框筒结构中各柱的竖向压缩量不同,角柱压缩变形最大,因而楼板四 角下沉较多,出现翘曲现象。设计楼板时,外角板宜设置双层双向附加构造钢筋(图84.1), 对防止楼板角部开裂具有明显效果,其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 /3和3m L On 2 图84.1板角附加钢筋图 图8.4.2梁内交叉暗撑的配筋 思考题 (1)从结构布置上,如何减小框筒和筒中筒结构的剪力滞后? (2)框筒和筒中筒结构中楼板的布置和配筋应注意什么问题? (3)说明筒中筒结构和框架-核心筒结构的受力性能有何不同?并说明原因 (4)说明框架-核心筒结构布置应遵循的主要原则有哪些? (5)在框架-核心筒结构中,外框架和内筒之间的楼板大梁对水平荷载作用下的内力和位移有什么 影响? (6)说明筒体结构的简化计算方法一等效槽形截面法和翼缘展开法 (7)筒体结构裙梁设计与普通框架梁的设计相比有何特点?
高层建筑结构设计 8 筒体结构设计 - 6 - 8.4 筒体结构的截面设计及构造要求 筒体结构应采用现浇混凝土结构，混凝土强度等级不宜低于 C30；框架节点核心区的 混凝土强度等级不宜低于柱的混凝土强度等级，且应进行核心区斜截面承载力计算；特殊 情况下不应低于柱混凝土强度等级的 70%，但应进行核心区斜截面和正截面承载力验算。 由于剪力滞后，框筒结构中各柱的竖向压缩量不同，角柱压缩变形最大，因而楼板四 角下沉较多，出现翘曲现象。设计楼板时，外角板宜设置双层双向附加构造钢筋（图 8.4.1）， 对防止楼板角部开裂具有明显效果，其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。 思考题 （1）从结构布置上，如何减小框筒和筒中筒结构的剪力滞后？ （2）框筒和筒中筒结构中楼板的布置和配筋应注意什么问题？ （3）说明筒中筒结构和框架-核心筒结构的受力性能有何不同？并说明原因。 （4）说明框架-核心筒结构布置应遵循的主要原则有哪些？ （5）在框架-核心筒结构中，外框架和内筒之间的楼板大梁对水平荷载作用下的内力和位移有什么 影响？ （6）说明筒体结构的简化计算方法—等效槽形截面法和翼缘展开法。 （7）筒体结构裙梁设计与普通框架梁的设计相比有何特点？