筒体结构设计的分析与解读

筒体结构设计的分析与解读

摘要：筒体结构设计是建筑结构设计中重要的一类，在高层建筑中得到广泛的使用。设计人员在设计中必须要对这种形式的特点有深刻的认识，才能设计出合理的建设方案。文章将就筒体结构设计进行初步的分析与解读。

关键词：建筑构成；筒体结构；设计分析

Abstract: the cylinder body structure design is building structural design of important category, in high-rise building widely used. Design personnel in the design must be for such forms of characteristics have a profound understanding of, to design the reasonable construction plan. The article on cylinder structure design and preliminary analysis of reading.

Keywords: building form; Cylinder structure; Design analysis

随着城市化的进一步发展，城市用地日趋紧张，同时，建筑水平的不断提高，建筑技术的不断发展，也使得当前高层建筑结构呈快速发展趋势，高层建筑成为城市建筑的主要构成部分。而高层建筑具有层数多、高度大、设防要求高的特点。这样一来，平面抗侧力结构所构成的框架、剪力墙和框架一剪力墙结构，已经无法满足建筑和结构的受力要求，在这种情况下，采用空间受力性能更好的简体结构就是最佳的选择了。

利用电梯井、楼梯间、管道井和服务间等形成一个筒体承担水平荷载，而外围框架仅承受竖向荷载或很小的水平荷载，这种结构就是内单筒结构；而外框筒结构则是沿建筑物外围，布置一些距离很小的密柱，在柱间用深梁连接起来，而由这些密柱深梁所形成的框架沿建筑物四周围成一个筒形。

如果建筑物高度超过100～140m，层数超过30～40层，那就意味着已经不适合采用剪力墙或框——剪结构体系了。这样既不科学，又不经济，甚至是不科学的。在这种情况下，就可以考虑选择空间受力性能更好的筒体结构体系，这种结构可以有效的抵抗水平荷载，它比剪力墙或框——剪结构体系具有更大的强度和刚度。

一、简体结构的类型

筒体结构的类型多种多样，根据《高层规程》的规定，筒中筒结构的平面外形，主要有这些：圆形、正多边形、椭圆形等，内筒宜居中。典型的筒中筒结构的特征：由两部分组成，即中央内筒和周边外框筒，同时内筒集中布置了电梯间和服务性房间，因而也就是组成了一个剪力墙薄壁筒。外筒一般都是由密柱(柱

间距为3m以内)深梁组成的空间筒体。其基本特征是：刚度大，外围密柱到下部楼层，通常是通过转换层转换为大柱距稀柱，最终形成入口。

当建筑功能不希望采用外围密柱时，外围可采用大柱距框架，这时便构成图1(b)所示的筒体一框架结构。

图1

一般来说，因为功能上的要求，一些办公和通讯建筑，无法设置内筒，这种情况下就可以用单一的框筒结构，如图1(c)所示。而如果建筑物高度大，其所受到的水平荷载也很大时，筒中筒结构的强度和刚度都很难满足相关的设计要求时，就可以考虑选择多重筒结构[图1(d)]和成束筒结构(组合筒结构)[图1(e)]。在建筑平面内也还可以布置多个筒体，形成多筒体结构[图(f)]。

二、筒体结构的受力性能

关于筒体的选择，没有固定的模式，需要设计人员根据工程特点进行选择，其既可以是剪力墙薄壁筒，也可以是密柱框筒。水平荷载大都是由一个，或者多个简体承受，受力呈空间性，筒体的每个筒壁都可以参与抗力，这些都是筒体结构的受力基本特征。

从外形上看不，简体就像一个竖在地面上的箱形截面悬臂梁，其在水平荷载作用下，既平行于荷载方向的腹板起作用，同时垂直于荷载方向的翼缘也起作用。

当然，设计上的理想框筒和实际设计中的简体的受力还是有差别的。理想的筒体，在初等弯曲理论中，在水平力作用之下，其截面是应该变保持平面，腹板应力直线分布，翼缘应力相等的。但是，在弹性理论之下的实际框筒，其应力分布显示，其实中上、下薄板的应力，是因为腹板传到板边的剪应力引起的。所以，这个应力在薄板宽度上的分布是呈两边应力大，中间应力较小，分布并不均匀的态势。一般来说，我们称这种与初等理论中假定的均匀性的分歧为“剪力滞后”，这就造成薄板内有剪切变形。

在框筒结构中，如果出现梁的跨度大、截面高度小，那剪力滞后现象会很严重，结果是框筒结构的整体空间抗弯作用会被削弱。因此，一般都会要求框筒结构要设计有密柱和深梁，这样才能有效的减少剪力滞后作用，同时也增大整体抗弯的能力。

由薄壁墙体围成的单个内筒，在宽度较大的情况下，在水平荷载下横截面上的正应力，会出现剪力滞后的现象，而一般来说电梯井在各楼层都开有门洞，这样其应力变化规律就复杂了许多。

筒中筒结构一般都是内、外筒协同工作的结构体系，其特点是：内筒侧移呈

弯曲型，外筒侧移呈弯剪型。薄壁内筒承担了底部水平的剪力，而靠近顶部的水平剪力则大都是由外框筒来承担的。

成束筒结构。因为外框筒设置了内部双向隔墙或深梁密柱的框架而得到加强，所以其结构的整体受力性能比较高。而平行于水平荷载的腹板墙或框架抗剪能力很大，所以其垂直于水平荷载的翼缘墙或框架抵抗弯矩的能力，一般也都是很强的。从理论上看，成束筒的剪力滞后现象，会比单个框简要均匀一些。

上述关于矩形平面高层建筑简体结构的受力变形特性，并不是在任何状况下都可以出现的，其在组成筒体结构的体型尺寸方面，表现要具备一定的条件才能出现。以矩形框筒的整体空间作用为例，其实际是指翼缘框架与腹板框架共同担负整体弯矩的作用。但是，这种作用并不是能够随便出现的，而必须要在筒体较高、弯矩较大的情况下，其空间作用才显著。

反之，当简体总高度低，整体弯矩小时，翼缘框架与腹板框架的共同作用，很弱，很难发挥出其作用来，基本上由腹板框架来承担水平荷载，所以，通常会要求筒体的高宽比H／B≥3。又如，在矩形框筒的长宽比很大的情况下，就会出现长边的剪力滞后作用十分严重，中间柱的轴力小，其空间作用弱的情况。所以，常要求简体的宽度比L／B≤2。

三、矩形平面框筒结构的简化计算方法

由深的窗裙梁和密排柱组成的空间框架体系，被称为框筒结构。从理论上讲，可以用带刚域三维杆件的矩阵位移法计算。对于矩形平面的框筒，根据对称条件并考虑剪力滞后现象，可推导出一些简化的计算方法。

（一）双槽形截面近似算法

一般来说说，矩形框筒在侧向水平力作用下的剪力是呈滞后现象的，此时，框筒翼缘框架中部的柱承担的轴力通常是很小的。在这样的情况下，为了将计算简化，同时保证角柱及其附近各柱的轴力与实际相差控制在一定的范围内，在计算时往往可认为翼缘中部某一宽度内的柱不承担轴力。所以，可以把框筒截面简化为两个等效的槽形截面。如果是双槽形截面，那就根据实体悬臂梁弯曲应力公式，计算框筒柱的轴力和窗裙梁的剪力。

（二）楼层剪力作用

如果是两个腹板框架的梁和柱的情况，那设计人员在设计时还必须考虑作为平面框架由水平侧力楼层剪力产生的弯矩。其计算方法，一般是依照壁式框架用D值法计算。如果仅仅是作为初步设计，那也可以更近似地采用假定柱反弯点法计算柱的总轴力，通过用竖向恒载和活载产生的轴力以及上述整体弯曲产生轴力的总和。

（三）框筒结构的其他简化计算方法