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1、Chapter 8 筒体结构设计,一、概 述,筒体是一种双向具有抗侧能力的空间受力结构，具有很大的刚度和承载力，适合在高层和超高层建筑中采用，其混凝土强度等级不宜低于C30。筒中筒结构的高度不宜低于60m，高宽比不应小于3。,当相邻层的柱不贯通时，应设置转换梁等构件。转换梁的高度不宜小于跨度的1/6。,图1(a)实腹筒,（一） 实腹筒结构（图1a）,理想筒体在水平力作用下，截面保持平面，腹板应力按直线分布，翼缘应力相等。,图1(b)框筒轴力分布,（二） 框筒结构（图1b）,框筒在水平力作用下，不仅腹板框架起作用，翼缘框架也共同受力。由于剪力滞后影响，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，而翼缘框架的轴
2、力也是不均匀分布的，角柱受力最大。,（三） 筒中筒结构（图1c）,(c)筒中筒,在水平荷载作用下，由柱及墙肢的弯曲所承受的弯矩很小；内筒承受的剪力很大，外筒的剪力很小。,(四)框架-筒体结构（图2a）,(五)成束筒（图2b）,受力接近于框架-剪力墙结构。,截面应力分布大体上与整体截面筒体相似，但在隔板处有剪力滞后现象。它的受力比同样平面尺寸的单个框筒要均匀一些。,(a),二、结构布置,（一）筒中筒结构布置,1.平面形状：宜为圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，矩 形平面的长宽比不宜大于2。,2.高宽比：H/B宜大于4，不应小于3。,3.框筒开孔：开孔率不宜大于60%。,4.洞口形状：洞口高宽比宜与
3、框筒梁柱轴线网格高宽比相似。,5.柱距：框筒柱距为2.03.0m，不宜大于4m。,6.柱截面：扁柱，高宽比约为4。角柱截面面积一般可取为 中柱截面面积的12倍。,7.裙梁截面：扁而高梁，h=6001500，梁宽等于墙厚，一 般不小于250mm。,8.内筒尺寸：内筒的边长可为高度的1/121/15。,（二）框架-筒体结构布置,1. 平面形状：较自由，但要简单、规则、均匀、 对称。,2. 高宽比：2.54.0。,3. 内筒尺寸：较自由,4. 外柱柱距：4m9m。,三、筒体结构内力与位移计算方法,（一）框筒在水平荷载作用下的内力 和位移计算方法,1. 等代角柱法,框筒结构在水平荷载作用下，角柱受力最
4、大，腹板框架的角柱有轴力、剪力和弯矩。剪力和弯矩对翼缘框架平面外的影响可忽略不计，轴力将使角柱产生轴向变形，从而带动整个翼缘框架在其平面内产生影响。等代角柱法用一个等代角柱来代替原框筒结构的作用，得到一个能代替原框筒结构的等效平面框架（图3）。这样，问题便变为平面框架的计算问题。,图 3,此法的关键是找到每层的恰当的等代角柱截面。方法是要使等代后角柱的轴向变形与等代前角柱的轴向变形相等。,设框筒第j层原角柱面积为Ac，所受轴力为N1；等代角柱的截面面积为 ，所受轴力为 ，则各自的轴向变形为：,由 ，可得：,式中,称为等代系数，其数值大小反映框筒结构空间作用的强弱。 曲线如图4所示， 与角柱与其
5、它的面积比以及梁的线刚度有关，详细情况可参考崔鸿超“框筒（筒中筒）结构的简化计算方法”（建筑结构学报，1982年第6期）。,图4 l：梁跨； F1：角柱面积； F2：外框筒其它柱面积。,2.等效连续体法,此法是将框筒每一个平面的梁柱用一个等效的均匀的正交 异性平板来替代，因此框筒变成为一实腹的薄壁筒（图5）。,图 5,由于楼板在其平面内的刚度很大，能约束壁板平面外变形,因此壁板只需考虑平面内的作用。,此法的关键是要使壁板的轴向刚度和剪切刚度与框架的轴向刚度和剪切刚度相同。,现取出一个梁柱单元(图6a)进行分析,其等效壁板为图6b。,(b),(a),(c),图 6,（1）等效板的弹性模量,设A为
6、每根柱的截面面积，E为材料弹性模量，d为柱距，t 为等效板厚，Ec为等效板的竖向弹性模量，由轴向刚度相等可得：,若等效板的截面面积等于柱截面面积，则有：,（2）等效板的剪切模量,梁柱节点可看成是图6c带刚域的节点，其荷载位移关系为：,式中,等效板的荷载-位移关系为：,由以上两式相等，得等效板的剪切刚度为：,当为边柱时，可令其一梁惯性矩为零。,当考虑杆件的弯曲变形和剪切变形和有限结点的剪切变形，即不把结点区视为刚域时：,式中:,Aj为有限结点的截面面积；G为材料的剪切模量。,（3）内力与位移的计算,法向面板的 平衡方程：,侧向面板的 平衡方程：,解微分方程和根据边界条件可求出 x(u)、z(w)
7、。最后还要把从等效连续体中得到的 应力通过积分，转换成梁、柱内力。,图7,图8,3框筒在扭转荷载下的等效平面法,某楼层：,（a）,（b）,当考虑整个框筒结构时，各楼层处在扭矩T作用下，产生的扭转角、侧向位移x和y以及两个方向框架承担的水平剪力Px和Py之间的关系为：,（c）,（d）,框架的水平剪力和水平位移间的关系为：,（e）,( f ),式中， 分别为x、y向框架的侧向刚度。,为框筒的扭转刚度矩阵。由式(g)可以求出，代入式(c)可得x、y，从而可求得框架内力。,（二）筒中筒结构在水平荷载下的 内力位移计算,1. 等效平面法,外框筒可用翼缘展开法（图9b）或等代角柱法（图9c）简化为平面框架
8、，内筒为在水平荷载方向的剪力墙，按框架-剪力墙结构计算。,2. 等效连续体法,外框筒可按单筒中的方法化为等效连续体，内筒一般为薄壁杆，因为对称荷载通过剪力中心，只产生弯曲，可按普通梁计算。计算简图如图10a，用力法可以求解（图10b）。,3. 筒中筒结构在扭转荷载下的计算,图 11,用力法求解，基本方程为：,式中，jP为外扭矩作用下外筒在j层处的扭转角；ji为内、外筒在i层处作用有单位扭矩时，j层处的扭转角。,解上述方程组，求出Tj后，即可分别对内、外筒进行内力和位移计算。,四、筒体结构截面设计与构造要求,（一）外框筒梁和内筒连梁应符合以下要求：,1. 按一般梁设计，不考虑深梁作用。,2. 截
9、面尺寸应满足抗剪要求：,（1）无地震作用组合,3. 不设弯起钢筋。,4.当框筒梁截面高度与跨度之比大于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,抗震设计,5. 裙梁纵筋每侧不少于216，箍筋不少于8200， 腰筋不少于12200。,（非抗震设计）,（抗震设计）,图12 板角配筋,（二）楼盖,筒体结构的楼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
10、%，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。,（三）框架-核心筒结构,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；,（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-核心筒结构的周边柱间必须设置框架梁。,