试析高层建筑筒中筒结构设计

试析高层建筑筒中筒结构设计

1.引言

进入21世纪，越来越多的超高层建筑拔地而起，超高层建筑的不断增多一方面是反映近代城市经济繁荣发展以及社会科学进步的重要标志，另一个方面是一个国家或者地区经济发展与科技水平的综合体现于反映。随着近年来我国国民经济的高速发展，使得我国在超高层建筑的建设速度、质量、规模等方面均取得举世瞩目的傲人成绩。目前超高层建筑采用筒中筒结构较为普遍，我国超高层建筑分布主要集中在长三角、珠三角、京津冀以及广东、深圳等发达地区，建筑高度的记录也不断被刷新。我国超高层建筑的飞速发展，使结构设计技术面临多方面的严峻考验，本文从超高层建筑的筒中筒结构体系设计出发，剖析了筒中筒结构的优缺点及其在设计时需要注意的细节问题。

2.超高层建筑筒中筒结构体系

我国超高层建筑结构在上世纪80年代之前，基本是由钢筋混凝土三大常规结构体系构成，即剪力墙结构、框架结构以及框架×剪力墙结构组成。伴随着建筑高度的不断向上攀升，“超高层建筑对于地震作用、风荷载等水平力的结构安全控制能力更加严苛和显著，超高层建筑所需要采用的结构体系与建筑本体的高宽比例、高度、结构所用材料、最大承载能力、最优抗震性能、工程造价、场地以及现实施工条件等都有着极为密切的联系”[ ]。目前在我国以及世界范围内，以空间整体受力为基本特征的筒体建筑结构形式得到了青睐与广泛应用，超高层建筑所采用的主要结构体系有以下四种形式：框架×简体结构、筒中筒结构、矩形框架结构以及束简结构体系。

2.1筒中筒结构的特点

筒中筒结构体系主要是由内外两层简体结构组合构成。“其中外筒普遍是由密柱深梁所组成的钢（型钢）框筒，也可以是由交叉柱或者桁架筒组成的网络筒；而内筒既可以是桁架筒类的网格筒，也可以是由钢筋混凝土组成的墙筒体”[ ]。在房屋达到一定的高度时，需要在超高层建筑的内筒与外筒中间设立可伸臂桁架用以减少由于楼层较高作用力下的建筑侧移。在水平荷载的作用力下，内筒主要以弯曲为主，外筒主要以剪切形为主，二者之间相互作用与制约，如外筒的刚度足够大（例如外筒采用框架结构的交叉网格筒），这时由于外筒和内筒需要通过

外部伸臂桁架以及楼板进行协同工作，此时内筒的刚度以及大小就可做适当的放松。在超高层建筑筒中筒体系中对外部延伸臂桁架的要求也相对比较低，有的甚至可以在特定环境下不设置外部延伸臂桁架，用以完成整个筒中筒结构体系的设计。

通常筒中筒的简体结构基本形式有三种：实腹筒、桁架筒以及框筒。“筒中筒结构体系是由一个或者多个的简体结构体为主要抵抗水平力，它最主要的特点就是其空间受力性能”[ ]，不管是哪一种简体结构，都可以在水平力的作用下看做固定在基础之上的箱形悬臂构件形式，由于它在抗侧刚度以及承载力方面比单片平民啊结构具有更大的作用力，并且拥有优良的抗扭刚度，因此筒中筒结构是一种抵抗较大水平作用力的有效且优质的结构体系，在超高层建筑的设计时，由于其对建筑结构本身的特殊要求，使得筒中筒这种结构体系能够满足超高层建筑相对复杂与高标准的技术要求。

2.2 筒中筒结构的优缺点

第一，筒中筒结构的优点：由于筒中筒结构是由内筒与外筒共同组成，内筒主要由剪力墙薄墙体壁筒，外筒主要由密柱（一般情况下密柱距离不大于3米）组成的主要框筒，由于外部外柱的密度相对来说较为密集，因而具有很好的整体性能，并且其结构特点类似一个多孔的竖向的箱型梁壁组成，具有相对较好的抗风与抗震性能，例如目前国内最高的钢筋混凝土结构的超高层结构的建筑如上海的金茂大厦（上海金茂大厦共88层，420.5米）、（广州中天广场大厦，80层，320米）全部都是采用目前国际国内较为流行的筒中筒结构体系。

第二，筒中筒结构的缺点：“由于其是由内筒与外筒构造组成，内筒与外筒之间形成较为距离大的空间，因此通风效果较为明显，这样会导致防火能力较差”[ ]，在遇到较为大的火情的时候，由于风力作用力大，导致火势较为难控制，因此其最大的缺点为防火能力较差。

3.超高层建筑筒中筒结构设计的细节问题

根据上述特点及要求，超高层建筑筒中筒结构体系的布置需注意以下一些问题：

第一，由于密柱深梁能够使窗裙梁的跨度高度比较小，因此框筒必须要做成密柱深梁以减小缘框架中的弯曲程度以及其剪切面变形程度，以减小柱中剪力滞后的严重现象。

第二，根据经验而言，框筒的平面较为适宜接近正方形以及圆形。如为矩形平面结构，则矩形平面长短边的比值不宜超过2，如果超过2则会导致在较长的一边，剪力滞后的问题会相对来说较为严重，导致利用程度不高。

第三，超高层建筑体系设计时，相对来说矮而胖的结构不适宜采用筒中筒体系，这是因为此时建筑结构总高度与总宽度之比值（H/B）大于3。

第四，在超高层建筑体系中，内筒面积不宜过小，一般情况下内筒边长为外筒边长的一半或者三分之一较为适宜，并且，内外筒距离之间不再进行设柱，内筒的高宽比（H/B）在12-15之间较为适宜，且不宜超过此数值。

第五，超高层建筑筒中筒结构的整体楼盖不仅仅承受着整个楼的竖向实际荷载，并且它在水平荷载的作用下还起到了刚性的隔板作用，在其中一方面内筒与外筒之间通过楼盖相互联系并且二者之间协同工作。在另一方面它基本维持整体建筑筒体的平面二维形状，在保证整个建筑体系沿竖向筒体不变形的基础上进行超高层建筑体系的设计与施工建造。在整个超高层建筑中，楼盖是筒中筒结构的重要组成部分，这就要求楼盖的高度不宜太高，需要尽可能的缩短楼盖与柱子之间的弯曲度传递，因此内外筒之间间距通常在10-12m，不宜过大。

4.筒中筒结构设计案例及探讨

筒中筒结构体系在不同的高度下量化指标不一样，本文通过收集已建成的筒中筒结构体系工程实例，例如兰州国芳大酒店（平面布置规则，接近正方形，经技术经济分析后采用浇筑钢筋混凝土筒中筒结构）、香港中环广场、温州世贸中心大厦等资料分析，建立600M、700M高度的简化计算模型。“筒中筒结构设计内外筒，内筒核心部位采用和剪力墙交接部位型的钢柱结构，外筒采用支撑的框筒，是方形的钢管混凝土以及大型支撑以及型钢混凝土梁”[ ]。

4.1 计算模型

5.结束语

本文中通过对超高层筒中筒结构体系两例计算模型进行分析，结果表明该体系能够满足600m及700m的超高层结构各项主要控制指标的要求。在各项标准指标中，结构整体侧向刚度的主要控制参数为刚重比。其相关的计算结果可对类似工程结构设计提供参考。

参考文献