筒中筒结构的力学分析和设计

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1、万方数据雾‘主呼覆‘等。绪‘构‘篱筒中筒结构的力学分析和设计彭伟文，王全凤，陈绪军(福建省泉州市华侨大学土木工程学院，福建泉州362021)【摘要】筒中筒结构是高层建筑中的一种高效结构体系，其空间受力情况非常复杂，有必要通过掌握结构体系的工作机理，特别是掌握一个很重要的概念——剪力滞后现象及其影响因素，以便设计时采用合理的结构布置。根据不同假设，从等效、变形协调以及能量等角度推导出几种不同的计算方法，从而对工程实际中筒中筒结构设计提供一定的参考价值。【关键词】筒中筒结构；剪力滞后；概念设计；简化计算【中图分类号】TU973+．17随着建筑高度的增加，结构由重力引起的竖向轴力与高度成正比

2、，而由水平荷载引起的弯矩与高度平方成正比，侧移与高度四次方成正比，水平荷载越来越控制着设计，由平面抗侧力结构所构成的框架、剪力墙和框剪结构已不能满足高层建筑和结构的要求。若要采用传统的框架结构．势必设计成“肥梁胖柱”，不仅造价昂贵，而且建筑对空间的要求往往也得不到满足。而剪力墙作为建筑物的核心，平面尺寸相对太小，无法提供足够的稳定性和刚度。为了适应建筑的这种发展趋势，突破传统结构体系，把注意力转向新型结构体系是一种有效途径¨J，简体结构就是其中的一种。随着筒中筒结构的发展，结构力学分析也有了很大的进展，如：分区广义变分原理与分区混合有限元法的应用；解析——微分方程求解器法的应用；半解析

3、法的应用；半连续法半离散法的应用等，在保证计算精度基础上，在计算量上有大大改善。但高层建筑的发展趋势是高度加大，层数增多，体型更加复杂，结构更为新颖，各种成果均存在应用上的局限性，而且有的成果不便推广。所以掌握该结构体系的受力原理非常重要‘2

4、。．1水平荷载作用下简中筒结构的受力状态和概念设计1．1筒中筒结构的工作机理筒中筒结构由沿建筑物外围轮廓线处布置密柱深梁形成的外框筒和内部实腹筒组成。在水平荷载作用下，除了框筒中与水平荷载平行方向的腹板框架抵抗部分倾覆力矩外，与之垂直方向的翼缘框架柱承受拉力、压力，也参与抵抗倾覆力矩。此时，腹板框架与一般框架类似，一端受拉，一端受压，角柱受力最大

5、，并产生拉伸或压缩，引起翼缘框架相邻裙梁受弯(剪)，造成相邻柱承受拉压力和发生轴向拉伸或压缩变形，又使第二跨裙粱受弯(剪)。引起相邻柱的轴力和拉压变形，如此传递使翼缘框架各柱承受拉力或压力。由于翼缘框架各柱和裙梁内力是由角柱传来，除角柱双向受力外，其余柱和裙梁的内力和变形都在翼缘框架平面内，腹板框架的内力和变形也在它的平面内，这就使框筒在152【文献标识码】A水平荷载作用下内力分布形成“筒”的空间特性，具有强大的整体抗弯能力，可以承担水平荷载作用下引起的大部分倾覆弯矩，可以弥补实腹简抗弯能力弱的缺点；而实腹筒抗剪能力强的优势可以弥补框筒这方面的不足。实腹筒以弯曲变形为主，而框筒剪切变形

6、成分较大，二者通过楼板协同工作共同抵抗水平荷载和变形，使结构的内力和层问变形沿高度变得更加均匀。因此，筒中筒结构是超高层中一种高效和非常有前途的一种结构体系H1。世界贸易中心(417m)、香港合和中心(215．8m)、广州国际大厦(200m)等筒中筒结构的工程应用可以证明这点。框筒应力崤”田庐力I__IIi_-IlJ△圈1框筒在倾覆力矩作用下的受力状态1．2框筒的剪力滞后现象及影响因素框筒可以看成是开了口的实腹筒，但两者的受力状态和变形有很大差别。实腹筒在水平荷载下受弯时，由于腹板的竖向抗剪刚度极大，几乎不使腹板产生竖向剪切变形，因而实腹筒受弯时各水平截面并不出现任何翘曲而保持平截面，

7、而框筒裙梁虽然高跨比大，但竖向弯剪刚度仍然有限。框筒在抵抗倾覆力矩时，水平截面的竖向应变不再符合平截面假[收稿日期]2008—01—02[作者简介]彭伟文(1984一)，男，江西吉安人。硕士研究生。151)II建筑第29卷1期2009．02万方数据雾：i一?程一，‘龉～y确。霪》。工i程。结i构覆定，出现了剪力滞后现象。图1所示为一矩形框筒在倾覆力矩作用下的受力状态。从图1中可看出，腹板框架和翼缘框架在角区附近的竖向应力大于实腹筒体，中间部分却相反¨】。影响剪力滞后的因素很多，较大的如下一儿纠冲1。1．2．1柱距与裙梁高度实际上影响剪力滞后大小的主要因素是裙梁剪切刚度与柱的比值，增大裙

8、梁的高跨比可以增大其剪切刚度，从而可以减小剪力滞后。图2比较了某框筒结构在柱截面相同时仅改变裙梁高度的5种情况。I：lI皇&鼍ir、，k．．√、．¨～／7～。。／，『400)×h(300)，s／s,=o．00525～。。b(400)xh(600)．sds：o00420一b(4001x啊800)．轧si勺0995⋯⋯b(400)×^(1200)．6搬=o3358—-．一啊400)x^(1600)，&／S：O7960图2裙粱高度对剪力滞后的影响梁剪