筒体结构分析计算方法发展综述

华中科技大学

研究生课程考试答题本

考生姓名杨党辉

考生学号M201273080

系、年级结构工程1201

类别硕士

考试科目高层结构分析与概念设计

考试日期2013 年 6 月27 日

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题号

答题部分得

分钢筋混凝土筒体结构分析计算方法发展综述

摘要：本文首先简要介绍了钢筋混凝土筒体结构的分类、发展与应用情况，

论述了筒体结构在高层建筑中的优越性，详细介绍了筒体结构设计理论与方

法的发展，主要包括等效平面框架法、等效连续体法、有限单元法、有限条

分析法等，并简要介绍了框筒结构剪力滞后效应的分析进程。

关键词：筒体结构计算方法有限元法等效连续体法剪力滞后Abstract:This paper briefly introduces the development,the application and the classification of framed-tube structures,and then expounds the superiorities of framed-tube structures in high-rise buildings.Then the paper suggests a detailed analysis of the development of design theory, Mainly includes the equivalent plane frame method, the equivalent continuum method, finite element method, finite strip analysis method, and then briefly introduces the process analysis of shear lag effect of frame-tube structure.

Keywords:framed-tube structure; calculation method; finite element method; the equivalent continuum method; shear lag

0 引言

随着经济的发展和城镇化建设的不断加快，现代建筑在建筑形式上有很

大的变化和创新，在功能上也不断趋向于多样化和综合化，而高层建筑结构

体系也随之得到了不断发展。随着建筑物高度的不断增加，承受竖向荷载与

水平荷载（作用）的共同作用也越来越大，常规结构已不能满足刚度、强度

及稳定性的要求。筒体结构因其工作性能由常规结构的平面构件转为立体构

件，空间整体性强；又因其内外筒之间形成大面积的无柱空间，因而在国内

外高层建筑结构中得到了迅速的发展[1]。

1 钢筋混凝土筒体结构的发展

20世纪60年代以来，高层建筑得到了很大的发展，平面抗侧力结构所构成的框架、剪力墙以及框架—剪力墙这三大常规结构体系已不能满足刚度、强度及延性的要求。美国著名结构工程师坎恩( FazlerR.Khan) 首次提出采用密柱深梁建造框筒结构，为建造超高层建筑提供了理想的结构形式，并运用于美国纽约世界贸易中心双塔楼、芝加哥西尔斯大厦和芝加哥汉考克大厦。随后，为了满足高层建筑更高层数的要求，由外框筒内墙筒构成的筒中筒因其工作性能由常规结构的平面构件转为双重立体构件，空间整体性更强，又因其内外筒之间形成大面积的无柱空间供人们使用，因而在国内外高层建筑中得到蓬勃的发展。

2 筒体结构的结构体系及其受力特性

20世纪80年代以来，筒体结构发展迅速。根据筒体的形式、数目和布置的不同，可分为单筒、筒中筒、成束筒、群筒及框架—核心筒等多种结构体系。在钢筋混凝土高层或超高层建筑结构体系中，常用的单个筒体形式为下列两类：一类是密柱深梁组成的空心框筒，另一类为环楼（电）梯井和竖向管线通道的墙壁组成的实腹筒。

为了拓展筒体结构在高层建筑中的应用，文献[2]提出了一种新的结构体系——高层网格筒体结构，简称网筒结构。高层网筒结构体系是将各种形式的竖向网格结构用作高层建筑外围护墙体的骨架,并围合成空间网格状筒体结构, 将竖向承重与抗侧力结构合二为一, 是充分发掘结构空间作用潜力的一种高效结构体系。同时, 网筒结构的网格形式有很强的几何规律, 可以获得特殊的建筑视觉效果。

框筒在侧向力作用下，腹板框架发生剪切型侧向位移变形，翼缘框架及内筒发生弯曲型变形，共同工作的结果将使整个结构的侧向位移曲线呈弯剪型。即框筒侧向变形以剪切型为主，核心筒常以弯曲变形为主，二者通过楼板联系共同抵抗水平力。这种结构体系具有其组成部分各自的优点，一方面

结构墙和筒体具有较大的侧向刚度，地震、风荷载作用时，对结构的层间侧向位移具有很好的控制作用，并且能避免结构在柱上产生塑性铰，形成薄弱层; 另一方面，延性框筒与核心筒相互作用，可以起到明显的能量消耗作用。

框筒与实腹筒结合即筒中筒结构，是筒体结构体系的代表。它一般是由空心外框筒和内部的薄壁芯筒通过楼板连接在一起的空间结构，具有较强的整体性和抗侧移刚度，能有效抵抗水平荷载。框筒代替实腹筒以承受高层建筑巨大的水平和竖向荷载，其受力性能较实腹筒复杂很多。在水平力作用下，框筒则不再保持平截面变形。腹板框架柱的轴力是曲线分布的，翼缘框架柱的轴力也是不均匀分布的: 靠近角柱的柱子轴力大，远离角柱的柱子轴力小。这种应力分布不再保持直线规律的现象称为剪力滞后。

3 筒体结构的常用计算方法

目前分析框筒结构的方法主要有三类:第一类是利用楼板平面内无限刚性和框架平面外刚度忽略不计的假定，将空间框架转化为平面框架近似求解，其中有翼缘展开法和等代角柱法等;第二类是采用空间杆件模型的有限单元法，该方法精度高但未知量多；第三类是将框筒连续化为正交各向异形板组成的实腹筒薄壁，然后用能量法、有限条法、加权残数法或弹性力学求解。

3.1 等效平面框架法

3.1.1 等效槽形截面法[3]

此方法是针对框筒初步设计时的初略估算。为粗略估算剪力滞后的影响，引进“等效翼缘宽度”的概念。等效槽形翼缘宽度b f =b fl +b f2≤min( B/2，H/10);选定b f 后，框筒梁、柱内力可按材料力学方法估算，结果偏安全：

腹框柱轴力：

()()()p i ci ci l M x y N x A I x

（1-1）

窗间墙梁剪力：