筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第第8章章 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、概一、概 述述 筒體是一種雙向具有抗側(cè)能力的空間受筒體是一種雙向具有抗側(cè)能力的空間受力結(jié)構(gòu)，具有很大的剛度和承載力，適合在力結(jié)構(gòu)，具有很大的剛度和承載力，適合在高層和超高層建筑中采用，其混凝土強(qiáng)度等高層和超高層建筑中采用，其混凝土強(qiáng)度等級不宜低于級不宜低于C30。筒中筒結(jié)構(gòu)的高度不宜低筒中筒結(jié)構(gòu)的高度不宜低于于60m，高寬比不應(yīng)小于高寬比不應(yīng)小于3。 當(dāng)相鄰層的柱不貫通時(shí)，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換當(dāng)相鄰層的柱不貫通時(shí)，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換梁等構(gòu)件。轉(zhuǎn)換梁的高度不宜小于跨度的梁等構(gòu)件。轉(zhuǎn)換梁的高度不宜小于跨度的1/6。 + 圖1(a)實(shí)腹筒 （一）（一） 實(shí)腹筒結(jié)構(gòu)（圖實(shí)腹筒結(jié)

2、構(gòu)（圖1a） 理想的實(shí)腹筒體在理想的實(shí)腹筒體在水平力作用下，截面變水平力作用下，截面變形保持平面，腹板應(yīng)力形保持平面，腹板應(yīng)力按直線分布，翼緣應(yīng)力按直線分布，翼緣應(yīng)力相等。相等。 圖圖1(1(b)b)框筒軸力分布框筒軸力分布 （二） 框筒結(jié)構(gòu)（圖框筒結(jié)構(gòu)（圖1b） 框筒在水平力作用下，框筒在水平力作用下，由于剪力滯后影響，腹板框由于剪力滯后影響，腹板框架柱的軸力是曲線分布的，架柱的軸力是曲線分布的，而翼緣框架的軸力也是不均而翼緣框架的軸力也是不均勻分布的，角柱受力最大。勻分布的，角柱受力最大。 （三）（三） 筒中筒結(jié)構(gòu)（圖筒中筒結(jié)構(gòu)（圖1c）圖圖1(c)1(c)筒中筒筒中筒 筒中筒結(jié)構(gòu)在水平筒

3、中筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，由柱及墻荷載作用下，由柱及墻肢的軸力形成的整體彎肢的軸力形成的整體彎矩很大矩很大, ,由柱和墻肢的由柱和墻肢的彎曲所形成的彎矩很?。粡澢纬傻膹澗睾苄?；核心筒承擔(dān)的剪力很大，核心筒承擔(dān)的剪力很大，外框筒承擔(dān)的剪力很小。外框筒承擔(dān)的剪力很小。 深圳國貿(mào)中心一層彎矩分配比例深圳國貿(mào)中心一層彎矩分配比例 由柱及墻肢軸力形成的整體彎矩由柱及墻肢軸力形成的整體彎矩由柱及墻肢的彎曲所承擔(dān)的彎矩由柱及墻肢的彎曲所承擔(dān)的彎矩外框筒外框筒內(nèi)筒內(nèi)筒外框筒外框筒內(nèi)筒內(nèi)筒50.4%40.3%2.7%6.6%深圳國貿(mào)中心底層剪力分配比例深圳國貿(mào)中心底層剪力分配比例 外框筒外框筒內(nèi)筒內(nèi)筒27%

4、73%( (四四) )框架框架-筒體結(jié)構(gòu)（圖筒體結(jié)構(gòu)（圖2a） ( (五五) )成束筒（圖成束筒（圖2b） 受力接近于框架受力接近于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)。 截面應(yīng)力分布大體上與整截面應(yīng)力分布大體上與整體截面筒體相似，但在隔板處體截面筒體相似，但在隔板處有剪力滯后現(xiàn)象。它的受力比有剪力滯后現(xiàn)象。它的受力比同樣平面尺寸的單個框筒要均同樣平面尺寸的單個框筒要均勻一些。勻一些。 (a) (b) 圖圖2 二、結(jié)構(gòu)布置二、結(jié)構(gòu)布置 （一）筒中筒結(jié)構(gòu)布置（一）筒中筒結(jié)構(gòu)布置 1.1.平面形狀：宜為圓形、正多邊形、橢圓形或矩形等，矩平面形狀：宜為圓形、正多邊形、橢圓形或矩形等，矩 形平面的長寬比不宜大

5、于形平面的長寬比不宜大于2 2。 2.2.高寬比：高寬比：H/BH/B宜大于宜大于6 6，不應(yīng)小于，不應(yīng)小于3 3。 3.3.框筒開孔：開孔率不宜大于框筒開孔：開孔率不宜大于60%。 4.4.洞口形狀：洞口高寬比宜與框筒梁柱軸線網(wǎng)格高寬比相似。洞口形狀：洞口高寬比宜與框筒梁柱軸線網(wǎng)格高寬比相似。 5.5.柱距：框筒柱距為柱距：框筒柱距為2.03.0m，不宜大于不宜大于4m。 6.6.柱截面：扁柱，高寬比約為柱截面：扁柱，高寬比約為4。角柱截面面積一般可取為。角柱截面面積一般可取為 中柱截面面積的中柱截面面積的12倍。倍。 7.7.裙梁截面：扁而高梁，裙梁截面：扁而高梁，h=6001500，梁寬

6、等于墻厚，一梁寬等于墻厚，一 般不小于般不小于250mm。 8.8.內(nèi)筒尺寸：內(nèi)筒的邊長可為高度的內(nèi)筒尺寸：內(nèi)筒的邊長可為高度的1/121/15。 （二）框架（二）框架- -筒體結(jié)構(gòu)布置筒體結(jié)構(gòu)布置 1.1. 平面形狀：較自由，但要簡單、規(guī)則、均勻、平面形狀：較自由，但要簡單、規(guī)則、均勻、 對稱。對稱。2. 2. 高寬比：高寬比：2.54.0。 3. 3. 內(nèi)筒尺寸：較自由內(nèi)筒尺寸：較自由 4. 4. 外柱柱距：外柱柱距：4m9m。 四、筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算方法四、筒體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算方法 （一）框筒在水平荷載作用下的內(nèi)力（一）框筒在水平荷載作用下的內(nèi)力 和位移計(jì)算方法和位移計(jì)算方法 1.

7、 等代角柱法等代角柱法 框筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，角柱受力最大，腹板框框筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，角柱受力最大，腹板框架的角柱有軸力、剪力和彎矩。剪力和彎矩對翼緣框架平架的角柱有軸力、剪力和彎矩。剪力和彎矩對翼緣框架平面外的影響可忽略不計(jì)，軸力將使角柱產(chǎn)生軸向變形，從面外的影響可忽略不計(jì)，軸力將使角柱產(chǎn)生軸向變形，從而帶動整個翼緣框架在其平面內(nèi)產(chǎn)生影響。而帶動整個翼緣框架在其平面內(nèi)產(chǎn)生影響。等代角柱法是等代角柱法是用一個等代角柱來代替原框筒結(jié)構(gòu)角柱和翼緣的作用，得用一個等代角柱來代替原框筒結(jié)構(gòu)角柱和翼緣的作用，得到一個能代替原框筒結(jié)構(gòu)的等效平面框架（圖到一個能代替原框筒結(jié)構(gòu)的等效平面框架（圖7）

8、。）。這樣，這樣，問題便變?yōu)槠矫婵蚣艿挠?jì)算問題。問題便變?yōu)槠矫婵蚣艿挠?jì)算問題。 NNNNNAcAcj圖圖 7 此法的關(guān)鍵是找到每層的恰當(dāng)?shù)牡却侵孛妗７酱朔ǖ年P(guān)鍵是找到每層的恰當(dāng)?shù)牡却侵孛?。方法是要法是要使等代后角柱的軸向變形與等代前角柱的軸使等代后角柱的軸向變形與等代前角柱的軸向變形相等向變形相等。 設(shè)框筒第設(shè)框筒第j層原角柱面積為層原角柱面積為Ac，所受軸力為所受軸力為N1；等代等代角柱的截面面積為角柱的截面面積為 ，所受軸力為，所受軸力為 ，則各自，則各自的軸向變形為：的軸向變形為： cjAN1cN hEAcjNhEA12NNNL由由 ，可得：，可得： 1cjccNAAAN式中式中

9、 1NN 稱為等代系數(shù)，其數(shù)值大小反映框筒結(jié)構(gòu)空間作用的強(qiáng)稱為等代系數(shù)，其數(shù)值大小反映框筒結(jié)構(gòu)空間作用的強(qiáng)弱。弱。 曲線如圖曲線如圖8所示，所示， 是角柱面積與其它的面積比以及是角柱面積與其它的面積比以及梁的線剛度有關(guān)，詳細(xì)情況可參考教材。梁的線剛度有關(guān)，詳細(xì)情況可參考教材。l=2ml=3.5ml=3ml=4ml=2.5m4.543210.010.020.030.040.0512/nCFF 圖圖8l：梁跨；梁跨； F1：角柱面積；角柱面積；F2：外框筒其它柱面積。外框筒其它柱面積。2.等效連續(xù)體法等效連續(xù)體法 此法是將框筒每一個平面的梁柱用一個等效的均勻的正交此法是將框筒每一個平面的梁柱用一個

10、等效的均勻的正交異性平板來替代，因此框筒變成為一實(shí)腹的薄壁異性平板來替代，因此框筒變成為一實(shí)腹的薄壁筒（圖筒（圖9）。）。 圖 9 由于樓板在其平面內(nèi)的剛度很大，能約束壁板平面外變形由于樓板在其平面內(nèi)的剛度很大，能約束壁板平面外變形, ,因此壁板只需考慮平面內(nèi)的作用。因此壁板只需考慮平面內(nèi)的作用。 此法的關(guān)鍵是要此法的關(guān)鍵是要使壁板的軸向剛度和剪切剛度與框筒的軸使壁板的軸向剛度和剪切剛度與框筒的軸向剛度和剪切剛度相同向剛度和剪切剛度相同。 現(xiàn)取出一個梁柱單元現(xiàn)取出一個梁柱單元(圖圖10a)進(jìn)行分析進(jìn)行分析,其等效壁板為圖其等效壁板為圖10b。 Vd(b) AjzxcdhbhAc,IcAb,Ib

11、V(a) ABCVIcIb1Ib2D2/2t1/2t(c) 圖 10 （1）等效板的彈性模量）等效板的彈性模量 設(shè)設(shè)A為每根柱的截面面積，為每根柱的截面面積，E為材料彈性模量，為材料彈性模量，d為柱距，為柱距，t 為為等效板厚，等效板厚，Ec為等效板的豎向彈性模量，由軸向剛度相等可為等效板的豎向彈性模量，由軸向剛度相等可得：得： cAEdtEcAEEdt若等效板的截面面積等于柱截面面積，則有：若等效板的截面面積等于柱截面面積，則有： cEE（2）等效板的剪切模量）等效板的剪切模量 梁柱節(jié)點(diǎn)可看成是圖梁柱節(jié)點(diǎn)可看成是圖10c帶剛域的節(jié)點(diǎn)，其荷載位移關(guān)系為：帶剛域的節(jié)點(diǎn)，其荷載位移關(guān)系為： 2c2

12、22cb1b2211211222(1)216(1)(1)(1)IthVeeEIIItttelllle 式中式中 2111222e h tldtldt ，。等效板的荷載等效板的荷載-位移關(guān)系為：位移關(guān)系為： VhGA 由以上兩式相等，得等效板的剪切剛度為：由以上兩式相等，得等效板的剪切剛度為： 2c222c22b1b2111122121121111EItGAeetIeIIttellll當(dāng)為邊柱時(shí)，可令其中一側(cè)梁的慣性矩為零。當(dāng)為邊柱時(shí)，可令其中一側(cè)梁的慣性矩為零。 當(dāng)考慮桿件的彎曲變形和剪切變形和有限結(jié)點(diǎn)的剪切變形，當(dāng)考慮桿件的彎曲變形和剪切變形和有限結(jié)點(diǎn)的剪切變形，即不把結(jié)點(diǎn)區(qū)視為剛域時(shí)：即不

13、把結(jié)點(diǎn)區(qū)視為剛域時(shí)： xzxzEGtdC式中式中: : 332bccbcb22ccbb11212xzjbhhh ddh ddhhdhEhChIGhAA hdhd Id AAj為有限結(jié)點(diǎn)的截面面積；為有限結(jié)點(diǎn)的截面面積；G為材料的剪切模量。為材料的剪切模量。 （3）內(nèi)力與位移的計(jì)算）內(nèi)力與位移的計(jì)算 法向面板的法向面板的平衡方程：平衡方程： 00yyzyzzyzyz側(cè)向面板的側(cè)向面板的平衡方程：平衡方程： 00 xxzxzzxzxzxPH2c2bzxzzxyzyz圖 7圖11解微分方程和根據(jù)邊界條件可求出解微分方程和根據(jù)邊界條件可求出 和位移和位移x(u)、z(w)。最后還要把從等效連續(xù)體中得到

14、的最后還要把從等效連續(xù)體中得到的應(yīng)力通過積分，轉(zhuǎn)換成梁、柱內(nèi)力。應(yīng)力通過積分，轉(zhuǎn)換成梁、柱內(nèi)力。 xyzzyx、 、 、 、xz薄壁筒還可以用有限元或有限條方法求解薄壁筒還可以用有限元或有限條方法求解。(b) (a) (c) 圖 13 （二）筒中筒結(jié)構(gòu)在水平荷載下的（二）筒中筒結(jié)構(gòu)在水平荷載下的 內(nèi)力位移計(jì)算內(nèi)力位移計(jì)算1. 等效平面法等效平面法 外框筒可用翼緣展開法（圖外框筒可用翼緣展開法（圖13b）或等代角柱法（圖或等代角柱法（圖13c）簡簡化為平面框架，內(nèi)筒為在水平荷載方向的剪力墻，按框架化為平面框架，內(nèi)筒為在水平荷載方向的剪力墻，按框架-剪力剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算。墻結(jié)構(gòu)計(jì)算。 2. 等效連續(xù)

15、體法等效連續(xù)體法 x0 xxjxn-1(a) (b) 圖 14外框筒可按單筒中的方法化為等效連續(xù)體，內(nèi)筒一般為薄壁外框筒可按單筒中的方法化為等效連續(xù)體，內(nèi)筒一般為薄壁桿，因?yàn)閷ΨQ荷載通過剪力中心，只產(chǎn)生彎曲，可按普通梁桿，因?yàn)閷ΨQ荷載通過剪力中心，只產(chǎn)生彎曲，可按普通梁計(jì)算。計(jì)算簡圖如圖計(jì)算。計(jì)算簡圖如圖14a，用力法可以求解（圖用力法可以求解（圖14b）。）。 五、筒體結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求五、筒體結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求 （一）外框筒梁和內(nèi)筒連梁應(yīng)符合以下要求：（一）外框筒梁和內(nèi)筒連梁應(yīng)符合以下要求： 1. 按一般梁設(shè)計(jì)，不考慮深梁作用。按一般梁設(shè)計(jì)，不考慮深梁作用。 2. 截面尺寸應(yīng)滿足抗

16、剪要求：截面尺寸應(yīng)滿足抗剪要求： （1）無地震作用組合）無地震作用組合 bcbb0c0.25Vb h f（2）有地震作用組合）有地震作用組合 跨高比大于跨高比大于2.5時(shí)：時(shí)： bccbb0RE10.20Vf b h 跨高比不大于跨高比不大于2.5時(shí)：時(shí)： bccbb0RE10.15Vf b h3. 不設(shè)彎起鋼筋。不設(shè)彎起鋼筋。 4.當(dāng)框筒梁截面高度與跨度之比大于當(dāng)框筒梁截面高度與跨度之比大于2時(shí)，可以設(shè)置交叉時(shí)，可以設(shè)置交叉暗撐。斜筋每一方向暗撐。斜筋每一方向4根，直徑不小于根，直徑不小于14，箍筋直徑不應(yīng)小，箍筋直徑不應(yīng)小于于8，間距不應(yīng)大于，間距不應(yīng)大于200及梁截面寬度的一半；端部加密

17、及梁截面寬度的一半；端部加密區(qū)間距不應(yīng)大于區(qū)間距不應(yīng)大于100，加密區(qū)長度不應(yīng)小于，加密區(qū)長度不應(yīng)小于600及梁截面及梁截面寬度的寬度的2倍。交叉斜筋伸入墻內(nèi)長度，抗震設(shè)計(jì)時(shí)取倍。交叉斜筋伸入墻內(nèi)長度，抗震設(shè)計(jì)時(shí)取laE，非抗非抗震設(shè)計(jì)時(shí)取震設(shè)計(jì)時(shí)取la，面積為：面積為： 非抗震設(shè)計(jì)非抗震設(shè)計(jì) bsy2sinVAf抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)計(jì) REbsy2sinVAf5. 裙梁縱筋每側(cè)不少于裙梁縱筋每側(cè)不少于2 16，箍筋不少于，箍筋不少于 8200， 腰筋不少于腰筋不少于12200。 加密區(qū)bb/2la1a1all（非抗震設(shè)計(jì)）（非抗震設(shè)計(jì)） a1a1.15ll（抗震設(shè)計(jì)）（抗震設(shè)計(jì)） l1l2l2/3

18、且3000mm150mm150mml1/3且3000mm圖圖16 板角配筋板角配筋 （二）樓蓋（二）樓蓋 筒體結(jié)構(gòu)的樓蓋外角宜筒體結(jié)構(gòu)的樓蓋外角宜設(shè)置雙層雙向鋼筋（圖設(shè)置雙層雙向鋼筋（圖16），單層單向配筋），單層單向配筋率不宜小于率不宜小于0.3%，鋼，鋼筋的直徑不應(yīng)小于筋的直徑不應(yīng)小于8，間距不宜大于間距不宜大于150，配筋范圍不宜小于外框配筋范圍不宜小于外框架（或外筒）至內(nèi)筒外架（或外筒）至內(nèi)筒外墻中距的墻中距的1/3和和3m。 （三）框架（三）框架-核心筒結(jié)構(gòu)核心筒結(jié)構(gòu) 1.核心筒宜貫通建筑物全高。核心筒的寬度不宜小于核心筒宜貫通建筑物全高。核心筒的寬度不宜小于 筒體總高的筒體總高的1/121/12，當(dāng)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)置角筒、剪力墻或，當(dāng)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)置角筒、剪力墻或 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件時(shí)，核心筒的寬度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件時(shí)，核心筒的寬度可以可以 適當(dāng)減小。適當(dāng)減小。 2. 核心筒應(yīng)具有良好的整體性，并滿足下列要求：核心筒應(yīng)具有良好的整體性，并滿足下