1、4-28 筒 体结 构14.7.1 筒体结构的布置1.定义由若干纵 横交 接 的剪 力墙 集 中到 房屋 内部或外 部形 成封闭筒体，以 此 来承 受房 屋 大部 分或 全部竖向 荷载 和水平荷载 所组 成 的结 构体 系 称为筒体结构体系。14.7.1 筒体结构的布置窗孔立柱裙梁电梯间核心 筒（实腹 筒）核心 筒（实腹 筒）框筒 结构（空腹筒）框筒 结构（空腹筒）14.7.1 筒体结构的布置变形特征2对于实腹筒体 当高宽比大于4 时，侧 移 以弯曲变形 为 主，位 移 曲 线呈 弯曲型；当高宽比介于14之间 时，侧 向 位 移 曲 线 介 于剪切型与弯曲型之 间。当高宽比小于1 时，侧 移
2、以剪切变形 为 主，位 移 曲 线呈 剪切型；14.7.1 筒体结构的布置筒体结构体系的适用范围3筒 体结构 的空间结构 有很 大 的 抗 侧力刚 度和抗 扭能力，同 时剪 力 墙集 中布置 使建筑 平 面设计具 有很 大的 灵 活 性，因 此主要 用于各种高层和超高层公共建筑。美国 的汉考克大 楼、西尔 斯大楼、芝加哥标 准石油公 司大楼 和纽约世界 贸易中心 大楼等 结构 都是筒 体结 构体系。如14.7.1 筒体结构的布置约翰汉考克 中心 约翰汉考克 中心 约 翰汉考克中 心约 翰 汉考 克中心(John Hancock Center)位于美 国伊利诺伊 州芝 加 哥，昵称为大约翰（Bi
3、gJohn），楼 高343.5 米(1,127 英尺)，加上天线 更高达457.2 米，地上100层，总楼面面 积260,126 平 方米，由SOM 建筑 设 计事务所设计，开 工于1965 年，完 工于1969年，是当时纽约之 外全世界最高的 摩天大楼。约 翰汉考克中 心是 现 在芝 加哥第3 高和美国 第4 高的大 楼，是由 结构工程师 法兹 勒 汗(Fazlur Khan)所 设计。在 大楼的94楼设有 观景 台，95楼设 有餐厅，能饱 览芝加哥和密 西根湖的景 色。44楼 设 有一 个全美国最高 的室内游泳池。14.7.1 筒体结构的布置美国Sears 大 厦 美国Sears 大 厦
4、尔斯 大 厦(Sears Tower)是 位于美 国伊 利诺伊州 芝 加哥的 一 幢摩 天 大楼，用 作 办 公 楼，SOM 建 筑 设 计 事 务所为当 时 世界 上最 大 的零 售商 西 尔斯百 货公 司设计。楼 高442.3 米，共 地 上108 层，地 下3 层，总 建 筑 面 积418000 平 方 米，底 部 平 面68.7 68.7 米,由9 个22.9 米 见方 的 正 方 形 组 成。希 尔 斯 大 厦 在1974 年 落 成 时 曾 一 度是 世 界 上 最 高 的 大 楼，它 保 持 了 世 界 上 最 高 建 筑 物 的纪录25 年。14.7.1 筒体结构的布置筒体结构
5、体系的类型4框 架筒 体 结构 框 架筒 体 结构筒中筒 结 构 筒中筒 结 构组合筒体 结构 组合筒体 结构14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1将 框 架-剪 力 墙 结 构 中 的 剪 力 墙相 对 集 中 组 成封闭的筒体，竖向荷载 主 要 由 框 架 和 筒 体 共 同 承 担，水平荷载 主 要 由 筒 体 承 担，就 形成了 框架-筒 体 结 构。概念变形特点 变形特点框架-筒 体结构的受力性能 类似于框架-剪力墙结构，水平荷载下的侧移曲线呈弯剪型，但前者的刚度远大 于后者。14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1框架-筒体结 构 有框架-实腹筒体结构和框架-空腹
6、筒体结构 两种 形式。类型 框架-实腹筒体结构 框架-实腹筒体结构由 中 央 剪 力 墙 核 心 筒 和 周 边 外 框 架 组 成 的 结 构称 为框架-实腹筒 体结构 框架-空腹筒体结构 框架-空腹筒体结构中 央 为 内 框 架，周 边 由 间 距 较 密 的 柱 子 与 每 层楼 层 处 的 深 肩 梁 刚 性 连 接 在 一 起 组 成 矩 形 网 络的 外筒体 称为框 架-空腹 筒 体 结 构框架 筒 体结 构 的布 置类似于框架剪力墙结构14.7.1 筒体结构的布置框架-筒体结构4.1适用范围 适用范围框架-筒体结 构常用 于50层左右的高 层建 筑 中，最高可建到100层14.7
7、.1 筒体结构的布置筒中筒结构4.2由中央 剪力 墙内 筒 和 周边 外 框 筒 组 成的结构称 为 筒 中筒 结构。内筒可 布置 服务 设 施，外 筒 则 可 安 装立面玻璃 幕 墙。14.7.1 筒体结构的布置筒中筒结构布置：筒 体结构平面 形 式 选用 方 形、圆 形为 好，也 可 用 对称 的三 角 形或人字 形平面。当 采 用 矩形 平 面 时，长宽 比不宜 大 于2。外 框筒密柱间 距 一 般为1.23m。平 面 四 角处的 柱子 截面 做 成L 形或八 字形，截面 尺 寸 加 大23 倍。内 筒边长尺寸 一 般 是外 筒 边 长 的1/3 为 好。在 框 筒 顶 部 设 置12
8、层 高 的 刚 性 环 梁，以 提 高 整 体 框 筒 的 空 间 整 体 性。筒 中筒结构的 高 宽 比宜 大 于3，高 度 不 宜低于60m14.7.1 筒体结构的布置筒中筒结构布置：内 筒宜贯 穿建 筑 物 全高，竖 向 刚 度宜 均匀变化 外 筒柱 距不 宜 大 于 层 高，宜 小于3m。外 墙 面 洞 口 面 积 不 宜大 于 墙面 面积的50 外 柱 宜 采 用 矩 形 或T 型 截 面，外 筒 密 柱 到 底 层 部 分 可 通 过 转 换 梁、转 换 桁 架、转 换 拱 等 扩 大 柱 距，但 柱 总 截 面 面 积 不 宜 减 少，需 要抗 震设防 时应 采 取 措施 保 证
9、 底 层 柱的 延性要求 内 筒 和 外 筒 之 间 的 距 离，非 抗 震 设 计 时，不 宜 大 于12m；抗 震 设计 时，不 宜大 于10m14.7.1 筒体结构的布置组合筒结构4.3组合筒结构 组合筒结构将 几 个 筒 体 组 合 成 一 个 整 体，共 同 承 担 竖 向 和 水 平 荷 载 的结构承重 体系-组 合 筒体 结 构常用于75层左右的高层建筑中 常用于75层左右的高层建筑中14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1在 侧 向力作 用下，框 筒结 构 的 受 力 既相 似 于 薄 壁箱 形 结构，又有其 自 身
10、特 点。框 筒 底部 翼 缘 和 腹板 的 柱内正 应力沿 框 筒水 平 截 面 的 分布 不 是 呈 线性 关 系，而 是 呈曲线分布，出 现 了 剪 力 滞 后 效应，即 正 应力在 角柱较 大，在 中 部 逐 渐 减小。这 是 由于翼缘框架中柱的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所 造 成的。同时在 框 筒结 构 顶 部，角柱 内 的 正 应力 反 而小于 翼缘框 架 中柱 内 的 正 应 力，即 出 现 负剪 力 滞后效 应。框筒 结构底部柱内 正应力分布14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1对 于实腹的 箱形 截 面，当 考 虑
11、 墙 内 纵向 剪切变形 影响 后，其 横 截 面 内 的 正应 力分布也 有 剪 力 滞 后或 负 滞 后 现 象。框筒结构 底部柱内正应 力分布14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法侧向力作用下的受力特点1 由 于存 在剪力 滞后效 应，筒 体 结 构 虽 然是 整 体 空 间工作，但 不能 按 平截 面假 定进 行内力 计算。另由 于该效 应存 在，使 底 层 角柱 内 的 轴 力加大，而 远离 角 柱的 柱子 则应 力较小，不 能充分 发挥材 料作 用，也 减 小 了结 构 的 空 间整体 抗侧 刚度。在 筒体 结构中，侧向 力所 产 生 的 剪
12、 力 主要 由 腹 板 承担。筒中 筒结 构，外 力所 产生 的总剪 力在 内外筒 间的分 配与 内 外 筒 的 抗 侧刚 度 比 有 关，但 在不 同高 度，侧 向力 在内 外筒间 的分 配比例 是不同 的。一 般 在 结 构 底部，内 部 承担了 大部 分剪 力，而 外筒 承担 的剪力 很小。侧向 力产生 的弯 矩 由 内 外 筒 共同 承 担，外筒较 内筒 承担 较 多的 弯矩。框 筒结 构或 筒 中筒结构 在 侧向 力 作 用 下，因共 同 作用使 整个 结构 的 侧 移 曲线 呈弯 剪型。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法
13、2筒 体 结 构 体 系 相 对 较 复 杂，计 算 方 法 常 采 用 计 算 机 程 序 实 现。常 采用的方法有 四种：（1）空间杆系薄壁柱矩阵位移法。把 一 般 的 梁 柱 单 元 作 为 空 间 杆 件 考 虑，而 把 内 筒、角 柱 等 部 位 的 单元作为 空间薄 壁 杆件，用 矩 阵 位移 法 求 解。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2一 般的空间 杆件单元空 间开 口薄壁杆件单 元14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（2）平面展开矩阵位移法,假定：筒
14、体 结 构 的 各 榀 平 面 单 元 仅 考虑 其自身 平面内 的 作用；楼 盖 在 自 身 平 面 内 的 刚 度 为 无穷 大。基 于 这 两 条 假 定 将 空 间结 构 简 化 为 平 面 结 构 进 行 计 算。筒 中 筒结构的平面 展开矩阵位移 法14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（3）等效弹性连续体能量法求解基 于 楼 板 在 其 平 面 内 刚 度 为 无 限 大 和 框 筒 的 筒 壁 在其 自 身 平 面 外 的 作 用 很 小，只 考 虑 其 平 面 内 作 用 的基 本 假 定，把 框 筒 结 构 简 化
15、 成 由 四 榀 等 效 弹 性 板 所组成的 无 孔 实 腹筒 体，用 能量 法 求 解。14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2 为了 在分析 中可简 化 公式 推 导，一 般的 筒 体 结 构在整个建筑 物高度 内，梁 与 柱的 横 截 面 都 可假 定 是 不 变的。于是，由密 集柱和 窗 裙梁 所 组 成 的 每榀 框 架 都 可用一榀等厚 的正交 异性弹 性 板来 等 效，从 而把 框 筒 结 构等效成一个 无孔实 腹筒体（如图），并 可 利用 能 量 法 求解。等效 正交异 性弹性 板 的刚 度 特 征 值 可通 过 弹
16、性 板与实际结构 的变形 等效条 件 得到。等效无孔实 腹筒体14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2在 轴向 力作 用的 情 况下，对 于每 个开 间，如果 能 满足 下式，则 框架 与墙 板两 者 在轴 力作 用下 的荷 载变 形关 系 将会 相等。e qt E d A E 等效正 交异 性 弹性 板的轴向刚 度特征值14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2等 效 端 板 的 剪 切 模 量 应 按壁 式 框 架 与 等 效 墙 板 在 承受 相同 的 剪 力 V 时，两 者
17、 能发 生 相 等 的 水 平 位 移 这 一条 件来 确定。等效 正交 异性 弹 性板的剪 切刚度特征值14.7.2 14.7.3 筒体结构侧向力作用下的受力特点与筒体结构的计算方法筒体结构的计算方法2（4）有限条分析法有 限 条 法 是 一 种 半 解 析 方 法，它 通 过 分 离 变 量，使 三 维 空 间 结 构 的 分析简化 为二维问 题，二 维问 题 简 化 为 一维 问题。首 先 将 框 筒 结 构 简 化 为 等 效 弹 性 连 续 体，连 续 化 后 把 内 外 筒 壁 和 楼 盖梁 分 成 若 干 底 部 嵌 固，顶 部 自 由 的 竖 条。根 据 假 定，这 些 有 限 条 元 是平面应 力有限条，可 利 用平 面 应 力 有 限条 来分 析 筒体 结构 的受 力。
