高层建筑结构第8章筒体结构课件.ppt

1、8.1筒体结构类型及结构布置筒体结构类型及结构布置8.2在侧向力作用下的受力特点在侧向力作用下的受力特点8.4截面设计及构造要求截面设计及构造要求18.3计算方法计算方法 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计 8.1 筒体结构类型及结构布置 当高层建筑结构层数多，高度大时，由平面抗侧力结构所构成的框架，剪力墙和框剪结构已不能满足建筑和结构的要求，而开始采用具有空间受力性能的筒体结构。筒体结构的基本特征是：水平力主要是由一个或多个空间受力的竖向筒体承受。筒体可以由剪力墙组成，也可以由密柱框筒构成。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计 特点：特点：n将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体

2、；n筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂空心柱体，结构空间刚度极大，抗扭性能也好；n筒体结构具有造型美观、受力合理、使用灵活，以及整体性强等优点，适用于高层和超高层建筑。目前全世界最高的100幢高层建筑约三分之二以上采用筒体结构，国内百米以上的高层建筑有一半以上采用简体结构。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计筒体结构的类型按筒体布置形式和数目的不同，可将筒体结按筒体布置形式和数目的不同，可将筒体结构划分为框筒结构、筒中筒结构和框架构划分为框筒结构、筒中筒结构和框架- -核心核心筒结构、多重筒结构、束筒结构。筒结构、多重筒结构、束筒结构。 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计1 1、框筒：

3、周边密集的柱和高跨比很大的窗裙梁。、框筒：周边密集的柱和高跨比很大的窗裙梁。在水平力作用下不仅腹板框架受力，翼缘框架在水平力作用下不仅腹板框架受力，翼缘框架也受力。也受力。 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计薄壁内筒与密柱外框筒相结合薄壁内筒与密柱外框筒相结合内筒体：筒体与竖向通道结合内筒体：筒体与竖向通道结合外筒体：密柱外框筒，与建筑立面结合外筒体：密柱外框筒，与建筑立面结合2 2、筒中筒结构、筒中筒结构 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计3、框架核心筒体系、框架核心筒体系由若干个框架和筒体共同承重的结构体系由若干个框架和筒体共同承重的结构体系类型：框架和实腹筒体、框架和空腹筒体类型

4、：框架和实腹筒体、框架和空腹筒体框架和空腹筒体框架和空腹筒体 空腹筒体布置在房屋的外围，空腹筒体布置在房屋的外围，框架布置在中间框架布置在中间框架和实腹筒体框架和实腹筒体 利用电梯间、楼梯间、设备间利用电梯间、楼梯间、设备间等的墙比做为筒体的实腹体壁等的墙比做为筒体的实腹体壁第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计 框架框架筒体结构体系筒体结构体系南京金陵饭店南京金陵饭店37层，108米，框架-筒体结构，1983年建成。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计广州中信大厦广州中信大厦37层，322米高，97年建成第第8 8

5、章章筒体结构设计筒体结构设计 上海金贸大厦采用的是框架上海金贸大厦采用的是框架核心筒结构，建筑物核心筒结构，建筑物88层层，高，高420.5米。钢筋混凝土核米。钢筋混凝土核心筒呈八角形，周边心筒呈八角形，周边8根钢骨根钢骨混凝土柱底部截面混凝土柱底部截面1.5mX5m，柱中配置柱中配置2根焊接根焊接H型钢。型钢。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计金茂金茂大厦内部结构大厦内部结构第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计南京金陵饭店 青岛保险公司地上39层，高108米 地下2层，地上19层，高65.9米第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计香港中环中心广场香港中环中心广场60层，374米，92年

6、建成。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计马来西亚双塔楼马来西亚双塔楼88层，450米，框筒结构，1996年建成。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计4、多重筒结构、多重筒结构内筒小，平面尺寸大，楼盖跨度大，故在内筒小，平面尺寸大，楼盖跨度大，故在内外筒之间增设一圈柱或剪力墙并将之联内外筒之间增设一圈柱或剪力墙并将之联系起来形成筒。系起来形成筒。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计 兰州工贸大厦 地上21层，地下2层，高93米，标准层高3.5米 深圳北方大厦 地上25层，地下1层，高81.6米，标准层高3.1米5 5、束筒结构、束筒结构n使用条件：当建筑高度或其平面尺寸进一步加大，使用条

7、件：当建筑高度或其平面尺寸进一步加大，以至于框筒或筒中筒结构无法满足抗侧力刚度要求以至于框筒或筒中筒结构无法满足抗侧力刚度要求时，必须采用多筒体系时，必须采用多筒体系n两个以上框筒（或其它筒体）排列在一起成束状，两个以上框筒（或其它筒体）排列在一起成束状，称为称为成束筒成束筒。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计美国西尔斯大厦美国西尔斯大厦110层，443米，束筒钢结构，1974年建成。允许位移900mm，实测460mm。用钢76000吨，砼55700立方米，安装了102部高速电梯。150层5166层6790层91层以上第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计框筒底层扩大柱距的措施框筒底层扩大

8、柱距的措施 剪力滞后效应剪力滞后效应: : 框筒结构中应力不保持直线分布的现象。框筒结构中应力不保持直线分布的现象。 理想筒体在水平力的作用下，腹板应力直线分理想筒体在水平力的作用下，腹板应力直线分布，翼缘应力相等。而实际框筒的腹板框架轴力呈布，翼缘应力相等。而实际框筒的腹板框架轴力呈曲线分布，翼缘框架轴力也不相等。曲线分布，翼缘框架轴力也不相等。剪力滞后影响因素：剪力滞后影响因素： 平面形状、建筑高宽比、梁柱刚度比平面形状、建筑高宽比、梁柱刚度比第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计8.3.1等效槽型截面法等效槽型截面法 用于初步设计时的用于初步设计时的大致估算。大致估算。 为粗略估算剪力滞

9、后的影响，与剪力墙为粗略估算剪力滞后的影响，与剪力墙结构一样，引进结构一样，引进“等效翼缘宽度等效翼缘宽度”概念：概念：等效槽形翼缘宽度等效槽形翼缘宽度bf=bfl+bf2min( B/2，H/10);选定选定bf后，框筒梁、柱内力可按材料力学方法后，框筒梁、柱内力可按材料力学方法估算，结果偏安全；估算，结果偏安全；估算方法估算方法腹腹 框框 柱轴力柱轴力( )( )( )picicilMx yNxAI x窗间墙窗间墙梁剪力梁剪力 ( ) ( )( )( )pblVx S xV xhI xMP(x)x截面水平荷载引起的悬臂弯矩；截面水平荷载引起的悬臂弯矩； yi计算柱至中性轴的距离；计算柱至中

10、性轴的距离； Il(x)两等效槽形截面对中性轴的惯性矩；两等效槽形截面对中性轴的惯性矩； Aci计算柱横截面面积；计算柱横截面面积；VP(x)水平荷载在水平荷载在z截面处的悬臂剪力；截面处的悬臂剪力； S(x)计算梁以外所有柱截面对中性轴的一次矩；计算梁以外所有柱截面对中性轴的一次矩； h楼层高度；楼层高度； 另外，另外，窗间墙梁的窗间墙梁的端弯矩端弯矩可由可由Vb(x)导出；导出；柱剪力柱剪力Vc由由Vp(x)按腹板框架柱根据按腹板框架柱根据D值法求得；值法求得；柱端弯矩柱端弯矩由由Vc乘以反弯点高度计算。乘以反弯点高度计算。公式中符号公式中符号4.1.1.3等效平面框架分析方法等效平面框架

11、分析方法将框筒展开成一个将框筒展开成一个等效的平面框架结构等效的平面框架结构，再按再按框架结构的分析方法进行分析。框架结构的分析方法进行分析。特点特点 相对比较准确；相对比较准确； 概念明确；概念明确； 计算不太复杂；计算不太复杂； 注意边界条件和变形协调条件；注意边界条件和变形协调条件；基本假定基本假定 翼缘框架翼缘框架对对腹板框架腹板框架承受水平剪力而产生的承受水平剪力而产生的弯曲变形弯曲变形不起直接支承不起直接支承作用。作用。分析思路分析思路一般框筒结构均具有两个对称面，一般框筒结构均具有两个对称面，取取1/4筒体进行计算；把筒体进行计算；把1/4筒体展开筒体展开为平面框架，水平荷载也取

12、为整个为平面框架，水平荷载也取为整个筒体所受水平荷载的筒体所受水平荷载的1/4；用类似平面框架分析的方法，解算用类似平面框架分析的方法，解算1/4框架结构的内力与位移；框架结构的内力与位移；进一步，利用对称、反对称的关系进一步，利用对称、反对称的关系求解整个框筒结构的内力和位移；求解整个框筒结构的内力和位移；筒体筒体边界条件边界条件 腹板框架腹板框架中节点中节点：水平有位移、无约束，竖向无位移、：水平有位移、无约束，竖向无位移、有约束或者该处有约束或者该处 ，该柱，该柱 ；cA ,/2cccAII 翼缘框架翼缘框架中节点中节点：水平位移及转角为：水平位移及转角为0，可用竖向支座表示；或者该柱取

13、可用竖向支座表示；或者该柱取 ；,/2cccAII 框筒结构的框筒结构的角柱角柱（翼框与腹框共有）可一分为二，若（翼框与腹框共有）可一分为二，若翼缘部分截面特性为翼缘部分截面特性为Ac1、Ic1，腹板部分为，腹板部分为Ac2、Ic2，则有则有Ac1+Ac2=Ac，可取，可取Ac1=Ac2=Ac/2，二者的相对大小对结构计算结果影响不大；二者的相对大小对结构计算结果影响不大； Icl=Icy:角柱角柱截面对截面对垂直于垂直于荷载方向的形心轴荷载方向的形心轴y的惯性矩的惯性矩Ic2=Icx:角柱角柱截面对截面对平行于平行于荷载方向的形心轴荷载方向的形心轴x的惯性矩的惯性矩构件截面参数构件截面参数

14、方法与效果评价方法与效果评价 等效槽形截面法等效槽形截面法：粗略的近似估算；：粗略的近似估算； 等效平面框架法等效平面框架法：相对较精确；：相对较精确； 利用等效平面框架法编程上机计算可利用等效平面框架法编程上机计算可得出相应的影响关系并制成影响曲线供得出相应的影响关系并制成影响曲线供初步设计时查用。初步设计时查用。框筒结构起控制作用的主要结构参数框筒结构起控制作用的主要结构参数柱和梁的弯曲刚度柱和梁的弯曲刚度 Kc=Ic/h，Ic、Ib分别为柱、梁截面惯性矩；分别为柱、梁截面惯性矩；Kb=Ib/l，h、l分别为柱高、梁有效跨度；分别为柱高、梁有效跨度；梁的剪切刚度梁的剪切刚度 在梁两端截面不

15、产生转角的情况下，使梁的在梁两端截面不产生转角的情况下，使梁的一端产生垂直于梁轴方向的单位位移所需的剪力一端产生垂直于梁轴方向的单位位移所需的剪力. 312bbEISl柱的轴向刚度柱的轴向刚度 使柱长沿轴向产生单位长度的变形所需要的轴力使柱长沿轴向产生单位长度的变形所需要的轴力框筒的刚度比框筒的刚度比Kf=Kc/Kb框筒的刚度因子框筒的刚度因子 210bfcSNSSN为楼层数为楼层数 框筒的边长比框筒的边长比RR= L(翼缘框架长翼缘框架长)/B(腹板框架长腹板框架长) hEAScc柱截面面积）(=n底层柱轴力系数底层柱轴力系数n腹板框架剪力系数腹板框架剪力系数8.3.2等效角柱法等效角柱法框

16、筒结构为空间结构，与一般框架框筒结构为空间结构，与一般框架不同之处不同之处在于在于翼缘框架参与抗侧力工作，翼缘框架参与抗侧力工作，翼缘依附于腹框翼缘依附于腹框参与参与抗侧力，可以说是通过抗侧力，可以说是通过角柱角柱来实现其加强结构整来实现其加强结构整体刚度的作用的；体刚度的作用的；思想思想设想一个设想一个“等效角柱等效角柱”代替代替翼框翼框作用作用 将框筒结构等代为两榀带有将框筒结构等代为两榀带有“等效角柱等效角柱”的腹的腹框框之后采用一般平面框架分析法进行分析；之后采用一般平面框架分析法进行分析； 根据剪力滞后的特点，按上述方法对根据剪力滞后的特点，按上述方法对边（角）柱边（角）柱（考虑轴向

17、变形考虑轴向变形）轴力轴力进行进行分析，与大量实例试算所得数据进行对分析，与大量实例试算所得数据进行对比并编制相关图表，以方便比并编制相关图表，以方便求得角柱通求得角柱通过翼框各柱中产生的轴力。过翼框各柱中产生的轴力。 此法的此法的关键关键在于：在于：确定各层确定各层等效角柱等效角柱的截面积的截面积 。*ciA等效的原则：等效的原则：等效前后角柱的等效前后角柱的轴向变形轴向变形相等相等 若设第若设第i层角柱层角柱等效前等效前的截面面积的截面面积Aci、轴力轴力Ni；等效后等效后 、轴力、轴力 ，则：，则：*ciA*iN*iiijjNNN 角柱等效前、后的角柱等效前、后的轴向变形轴向变形分别为：

18、分别为：*,iiiiciciN hN huuEAEA 为等效系数为等效系数 故而故而 *iiiciciciciciiN hN hNAAAEAEAN 若若不考虑不考虑翼缘框架翼缘框架对对腹板框架腹板框架弯曲变形弯曲变形的的支承作用支承作用，则等效前后角柱的惯性矩不，则等效前后角柱的惯性矩不变，即：变，即：*12/,/ciccicicicihIAbAh影响等效系数影响等效系数 的主要因素：的主要因素：角柱与中间柱的面积比；角柱与中间柱的面积比； 梁的线刚度、跨度；梁的线刚度、跨度； 层高、层数等。层高、层数等。 崔鸿超崔鸿超框筒（筒中筒）结构的简化计算框筒（筒中筒）结构的简化计算法法J.建筑结构学

19、报，建筑结构学报，1982，(6):通过对大量通过对大量不同几何参数的平面框架和空间框架进行计不同几何参数的平面框架和空间框架进行计算，绘制算，绘制 曲线，即曲线，即角柱轴力用手算方法角柱轴力用手算方法转换为翼框各柱轴力转换为翼框各柱轴力的公式与图表，并得出：的公式与图表，并得出：等效框架与原结构的弯曲刚度、剪切刚度等效框架与原结构的弯曲刚度、剪切刚度相近相近分析所得内力与位移分析所得内力与位移比较准确比较准确等效柱中的弯矩、剪力值比原结构中角柱等效柱中的弯矩、剪力值比原结构中角柱的内力值的内力值偏大偏大，中柱（腹框）剪力，中柱（腹框）剪力偏小偏小，尤，尤其是腹框柱数量较少时尤为明显。其是腹框

20、柱数量较少时尤为明显。1） 筒体结构的混凝土强度等级不宜低于C30；（2）筒中筒结构的高度不宜低于60m，高宽比不应小于3；（3）当相邻层的柱不贯通时，应设置转换梁等构件，为确保转换梁刚度和强度，转换梁的高跨比不宜小于1/6。（4）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%，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于150mm，双层双向筋的配置范围不宜小于外框架（或外筒）至内筒外墙中距的1/3和3m。 8.4.1 筒体结构设计基本要求第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计l1l2l2/3且3000mm150mm150mml1/3且3000mm图8.9 板角配筋 筒体结构的楼

21、盖外角宜设置双层双向钢筋（图16），单层单向配筋率不宜小于0.3%，钢筋的直径不应小于8，间距不宜大于150，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。 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计1. 按一般梁设计，不考虑深梁作用。 2. 截面尺寸应满足抗剪要求： （1）无地震作用组合 bcbb0c0.25Vb h f（2）有地震作用组合 跨高比大于2.5时： bccbb0RE10.20Vf b h 跨高比不大于2.5时： bccbb0RE10.15Vf b h 8.4.2 框筒梁和连梁的设计第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计3. 不设弯起钢筋。 4.当框筒梁截面高度与跨度

22、之比大于2时，可以设置交叉暗撑。斜筋每一方向4根，直径不小于14，箍筋直径不应小于8，间距不应大于200及梁截面宽度的一半；端部加密区间距不应大于100，加密区长度不应小于600及梁截面宽度的2倍。交叉斜筋伸入墙内长度，抗震设计时取laE，非抗震设计时取la，面积为： 非抗震设计 bsy2sinVAf抗震设计 REbsy2sinVAf第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计5. 裙梁纵筋每侧不少于216，箍筋不少于8200， 腰筋不少于12200。 加密区bb/2la1a1all（非抗震设计） a1a1.15ll（抗震设计） 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计1 . 在相同的水平荷载作用下，

23、以圆形的侧向刚度和受力性能最佳，矩形最差；正三角形的结构性能也较差，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。2 . 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。筒中筒矩形平面的长宽比不宜大于2。 8.4.4 筒中筒的构造要求第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计3 . 外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；内筒的切角长度不宜小于相应边长的1/10，切角处的筒壁宜适当加厚。4 . 筒中筒结构内筒的边长可为高度的1/121/15，如果有另外的角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸还可适当减小。内筒宜贯通建筑物全高，

24、竖向刚度宜均匀变化。5 . 筒中筒结构跨高比不大于2的框筒梁和内筒连梁宜采用交叉暗撑；跨高比不大于1的框筒梁和内筒连梁应采用交叉暗撑，且应符合相应的规定。第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计1.核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于 筒体总高的1/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或 增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可以 适当减小。 2. 核心筒应具有良好的整体性，并满足下列要求： （1）墙肢宜均匀、对称布置； （2）筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角 内壁至洞口的距离不应小于500和开洞墙的截 面厚度； 8.4.5 框架-核心筒结构的构造要求第第8 8章章筒体结构设计筒体结

25、构设计（3）核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20及200， 对一、二级抗震设计的底部加强部位不宜小于层高的 1/16及200，不满足时，应计算墙体稳定，必要时可 增设扶壁柱或扶壁墙；在满足承载力要求以及轴压比限 值（仅对抗震设计）时，核心筒内墙可适当减薄，但不 应小于160； （4）筒体墙的水平、竖向配筋不应少于两排； （5）抗震设计时，核心筒的连梁，宜通过配置交叉暗撑、设置 水平缝或减小梁截面的高宽比等措施来提高连梁的延性。 3. 抗震设计时，各层框架柱的地震剪力应予以调整。 4. 框架框架-核心筒结构的核心筒结构的周边柱间周边柱间必须设置框架梁。必须设置框架梁。 第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计第第8 8章章筒体结构设计筒体结构设计