《筒体结构设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《筒体结构设计.ppt（33页珍藏版）》请在第壹文秘上搜索。
1、 筒体结构设计筒体结构设计 一、概一、概 述述 筒体是一种双向具有抗侧能力的空间受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，其混凝土强度等高层和超高层建筑中采用，其混凝土强度等级不宜低于级不宜低于C30。筒中筒结构的高度不宜低筒中筒结构的高度不宜低于于60m，高宽比不应小于高宽比不应小于3。当相邻层的柱不贯通时，应设置转换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）（一）实腹筒结构（图实腹筒结构（图1a）理想的
2、实腹筒体在理想的实腹筒体在水平力作用下，截面变水平力作用下，截面变形保持平面，腹板应力形保持平面，腹板应力按直线分布，翼缘应力按直线分布，翼缘应力相等。相等。图图1(1(b)b)框筒轴力分布框筒轴力分布 （二）框筒结构（图框筒结构（图1b）框筒在水平力作用下，框筒在水平力作用下，由于剪力滞后影响，腹板框由于剪力滞后影响，腹板框架柱的轴力是曲线分布的，架柱的轴力是曲线分布的，而翼缘框架的轴力也是不均而翼缘框架的轴力也是不均匀分布的，角柱受力最大。匀分布的，角柱受力最大。（三）（三）筒中筒结构（图筒中筒结构（图1c）(c)c)筒中筒筒中筒 筒中筒结构在水平筒中筒结构在水平荷载作用下，由柱及墙荷载作
3、用下，由柱及墙肢的轴力形成的整体弯肢的轴力形成的整体弯矩很大矩很大,由柱和墙肢的由柱和墙肢的弯曲所形成的弯矩很小；弯曲所形成的弯矩很小；核心筒承担的剪力很大，核心筒承担的剪力很大，外框筒承担的剪力很小。外框筒承担的剪力很小。深圳国贸中心一层弯矩分配比例深圳国贸中心一层弯矩分配比例 由柱及墙肢轴力形成的整体弯矩由柱及墙肢轴力形成的整体弯矩由柱及墙肢的弯曲所承担的弯矩由柱及墙肢的弯曲所承担的弯矩外框筒外框筒内筒内筒外框筒外框筒内筒内筒50.4%40.3%2.7%6.6%深圳国贸中心底层剪力分配比例深圳国贸中心底层剪力分配比例 外框筒外框筒内筒内筒27%73%(四四)框架框架-筒体结构（图筒体结构（
4、图2a）(五五)成束筒（图成束筒（图2b）受力接近于框架受力接近于框架-剪力墙结构。剪力墙结构。截面应力分布大体上与整截面应力分布大体上与整体截面筒体相似，但在隔板处体截面筒体相似，但在隔板处有剪力滞后现象。它的受力比有剪力滞后现象。它的受力比同样平面尺寸的单个框筒要均同样平面尺寸的单个框筒要均匀一些。匀一些。(a)(b)图2(六六)筒中筒结构模型试验筒中筒结构模型试验 参照现有的工程经验、规程以及模型试验方参照现有的工程经验、规程以及模型试验方法，设计了一个法，设计了一个14层钢筋混凝土筒中筒原型结层钢筋混凝土筒中筒原型结构构(如图如图3、4)，按，按8度设防，度设防，类场地土，模型类场地土
5、，模型按按1/10几何比例系数制作。模型采用配筋砂浆几何比例系数制作。模型采用配筋砂浆浇筑，水泥标号为浇筑，水泥标号为525，设计强度等级为，设计强度等级为C30。试验研究包括三个部分：结构模型在水平荷载和试验研究包括三个部分：结构模型在水平荷载和平扭耦合荷载作用下的静力弹性试验、等效两个平扭耦合荷载作用下的静力弹性试验、等效两个自由度体系的拟动力试验、模型在整个试验过程自由度体系的拟动力试验、模型在整个试验过程中的动力特性研究。试验工作在湖南大学结构试中的动力特性研究。试验工作在湖南大学结构试验试验室完成。验试验室完成。1F 2F P 西面东面北面南面F 10e 2F 底板加载顶板(单位：m
6、m)c 百分表百分表6190=114013300=39003401406190=114050127.55050 14050505050127.5140140130 120 13038020015020258011654004004590(a)模型结构平面图模型结构平面图 (b)模型结构侧立面及加载简图模型结构侧立面及加载简图图图3 筒中筒模型试验筒中筒模型试验 图图4 钢筋混凝钢筋混凝土筒中筒模土筒中筒模型照片型照片 试验结果：024681012140.00.20.40.60.81.01.2层数水平位移(mm)F1=F2=1kN,e0=0 F1=F2=2kN,e0=0 F1=F2=3kN,e0
7、=0 F1=F2=1kN,e0=100mm F1=F2=2kN,e0=100mm F1=F2=3kN,e0=100mm F1=F2=1kN,e0=200mm F1=F2=2kN,e0=200mm F1=F2=3kN,e0=200mm图图5 中部、顶部同时加载下的水平位移对比图中部、顶部同时加载下的水平位移对比图腹板墙体翼缘墙体腹板立柱C翼缘立柱1C2C34C5CC6C7C7C89CC1011CC1213C121W2WW3W4W5W6W7(a)外框筒第二层应变片布置外框筒第二层应变片布置-50-40-30-20-1001020304050(柱号)C8C7C6C5C4C3C2 F2=1kN,e0=
8、0 F2=2kN,e0=0 F2=3kN,e0=0C1C1C1C1C13C12C11C10C9(b)框筒第二层应变值框筒第二层应变值图图6 应变测量值应变测量值 二、结构布置二、结构布置（一）筒中筒结构布置（一）筒中筒结构布置 1.1.平面形状：宜为圆形、正多边形、椭圆形或矩形等，矩平面形状：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形平面的长宽比不宜大于2 2。2.2.高宽比：高宽比：H/BH/B宜大于宜大于6 6，不应小于，不应小于3 3。3.3.框筒开孔：开孔率不宜大于框筒开孔：开孔率不宜大于60%。4.4.洞口形状：洞口高宽比宜与框筒梁柱轴线网格高宽比相似。洞口形状
9、：洞口高宽比宜与框筒梁柱轴线网格高宽比相似。5.5.柱距：框筒柱距为柱距：框筒柱距为2.03.0m，不宜大于不宜大于4m。6.6.柱截面：扁柱，高宽比约为柱截面：扁柱，高宽比约为4。角柱截面面积一般可取为。角柱截面面积一般可取为 中柱截面面积的中柱截面面积的12倍。倍。7.7.裙梁截面：扁而高梁，裙梁截面：扁而高梁，h=6001500，梁宽等于墙厚，一梁宽等于墙厚，一 般不小于般不小于250mm。8.8.内筒尺寸：内筒的边长可为高度的内筒尺寸：内筒的边长可为高度的1/121/15。（二）框架（二）框架-筒体结构布置筒体结构布置 1.1.平面形状：较自由，但要简单、规则、均匀、平面形状：较自由，
10、但要简单、规则、均匀、对称。对称。2.2.高宽比：高宽比：2.54.0。3.3.内筒尺寸：较自由内筒尺寸：较自由 4.4.外柱柱距：外柱柱距：4m9m。三、筒体结构内力与位移计算方法三、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（一）框筒在水平荷载作用下的内力 和位移计算方法和位移计算方法 1.等代角柱法等代角柱法 框筒结构在水平荷载作用下，角柱受力最大，腹板框架的框筒结构在水平荷载作用下，角柱受力最大，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，从而带的影响可忽略不计
11、，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。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法用一个等代角柱来代替原框筒结构角柱和翼缘的作用，得到一个等代角柱来代替原框筒结构角柱和翼缘的作用，得到一个能代替原框筒结构的等效平面框架（图能代替原框筒结构的等效平面框架（图7）。）。这样，问题这样，问题便变为平面框架的计算问题。便变为平面框架的计算问题。NNNNNAcAcj图 7 此法的关键是找到每层的恰当的等代角柱截面。方此法的关键是找到每层的恰当的等代角柱截面。方法是要法是要使等代后角柱的轴向变形与等代前角柱的轴使等代后角柱的轴向变形与等代前角柱的轴向变形相等向
12、变形相等。设框筒第设框筒第j层原角柱面积为层原角柱面积为Ac，所受轴力为所受轴力为N1；等代等代角柱的截面面积为角柱的截面面积为 ，所受轴力为，所受轴力为 ，则各自，则各自的轴向变形为：的轴向变形为：cjAN1cN hEAcjNhEA12NNN由由 ，可得：，可得：1cjccNAAAN式中式中 1NN 称为等代系数，其数值大小反映框筒结构空间作用的强称为等代系数，其数值大小反映框筒结构空间作用的强弱。弱。曲线如图曲线如图8所示，所示，是角柱面积与其它的面积比以及是角柱面积与其它的面积比以及梁的线刚度有的函数，详细情况可参考崔鸿超梁的线刚度有的函数，详细情况可参考崔鸿超“框筒（筒框筒（筒中筒）结
13、构的简化计算方法中筒）结构的简化计算方法”（建筑结构学报，（建筑结构学报，1982年第年第6期）。期）。我们根据最小势能原理推导的等代角柱公式见我们根据最小势能原理推导的等代角柱公式见P.238-243P.238-243。l=2ml=3.5ml=3ml=4ml=2.5m4.543210.010.020.030.040.0512/nCFF 图图8l：梁跨；梁跨；F1：角柱面积；角柱面积；F2：外框筒其它柱面积。外框筒其它柱面积。2.等效连续体法等效连续体法 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
14、壁异性平板来替代，因此框筒变成为一实腹的薄壁筒（图筒（图9）。）。图 9 由于楼板在其平面内的刚度很大，能约束壁板平面外变形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。因此壁板只需考虑平面内的作用。此法的关键是要此法的关键是要使壁板的轴向刚度和剪切刚度与框筒的轴使壁板的轴向刚度和剪切刚度与框筒的轴向刚度和剪切刚度相同向刚度和剪切刚度相同。现取出一个梁柱单元现取出一个梁柱单元(图图10a)进行分析进行分析,其等效壁板为图其等效壁板为图10b。Vd(b)AjzxcdhbhAc,IcAb,IbV(a)ABCVIcIb1Ib2D2/2t1/2t(c)图 10（1）
15、等效板的弹性模量）等效板的弹性模量 设设A为每根柱的截面面积，为每根柱的截面面积，E为材料弹性模量，为材料弹性模量，d为柱距，为柱距，t 为为等效板厚，等效板厚，Ec为等效板的竖向弹性模量，由轴向刚度相等可为等效板的竖向弹性模量，由轴向刚度相等可得：得：cAEdtEcAEEdt若等效板的截面面积等于柱截面面积，则有：若等效板的截面面积等于柱截面面积，则有：cEE（2）等效板的剪切模量）等效板的剪切模量 梁柱节点可看成是图梁柱节点可看成是图10c带刚域的节点，其荷载位移关系为：带刚域的节点，其荷载位移关系为：2c222cb1b2211211222(1)216(1)(1)(1)IthVeeEIII
16、tttelllle 式中式中 2111222e h tldtldt，。等效板的荷载等效板的荷载-位移关系为：位移关系为：VhGA 由以上两式相等，得等效板的剪切刚度为：由以上两式相等，得等效板的剪切刚度为：2c222c22b1b2111122121121111EItGAeetIeIIttellll当为边柱时，可令其中一侧梁的惯性矩为零。当为边柱时，可令其中一侧梁的惯性矩为零。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，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：即不把结点区视为刚域时：xzxzEGtdC式中式中:332bccbcb22ccbb11212xzjbhhh ddh ddhhdhEhChIGhAA hdhd Id AAj为有限结点的截面面积；为有限结点的截面面积；G为材料的剪切模量。为材料的剪切模量。（3）内力与位移的计算）内力与位移的计算 法向面板的法向面板的平衡方程：平衡方程：00yyzyzzyzyz侧向面板的侧向面板的平衡方程：平衡方程：00 xxzxzzxzxzxPH2c2bzxzzxyzyz图 7图11解微分方程和根据边界条件可
