浅谈筒体结构

浅谈筒体结构城规11-2肖祎11103040228摘要：从20世纪70年代开始高层建筑进入快速发展时期，筒体结构在各类高层建筑中得到了广泛的应用。筒体结构体系包括框筒结构、筒中筒结构、框架核芯筒结构、多重筒结构和束筒结构等。本文就筒体结构的类型，结构布置，抗震分析做了简短介绍。关键次：筒体，类型，布置，抗震1.关于筒体结构的选择在城市设计中可以注意到，土地越来越稀缺，面对着森林，草原，海洋等的自然景观需求，人类的数量大规模的增加，未来的建筑势必朝着高层高容积率发展。在柯布西耶为代表的城市集中主义中可以看出他们所主张的通过提高密度的手法解决城市中心区的建筑密度。那么，面对这样高层建筑的需求，建筑的结构选用形式就尤为重要。在完成结构选型课程后，对应我所学的专业城市规划，我认为超高层的建筑结构形式即筒体结构，对于我的专业知识会是一个非常大的帮助，因此，在此浅谈一下我所学习到的有关筒体结构的知识。2.诞生与发展从20世纪70年代开始高层建筑进入快速发展时期，由于常规体系(如剪力墙、框架和框架—剪力墙结构)已不能满足建筑和结构的强度、刚度和延性的要求，筒体结构随之出现。美国的坎恩(FazlerR．Khan)第一次在框架结构中采用密柱深梁结构。我国对框筒及筒中筒结构的研究也是从20世纪70年代开始进行，并建造一批筒中筒结构，如50层的深圳国贸中心大厦和63层的广州国际大厦。近年来，由于经济实力增强和城市建设步伐的加快，出现了很多钢筋混凝土核心筒结构的超高层建筑，如上海的金茂大厦和广西南宁的地王大厦。总之，钢筋混凝土筒体结构因其内外筒之间形成了大面积的无柱空间，从而具有很大的承载力和抗侧力刚度，以及很好的抗扭刚度。因此，筒体结构在各类高层建筑中得到了广泛的应用。3.各类筒体结构筒体结构体系包括框筒结构、筒中筒结构、框架核芯筒结构、多重筒结构和束筒结构等。3.1框筒结构框筒结构是由周边密集柱和高跨比很大的窗裙梁所组成的空腹筒结构。从立面上看，框筒结构犹如由4榀平面框架在角部拼装而成，角柱的截面尺寸往往较大，起着连接两个方向框架的作用。框筒结构在侧向荷载作用下，不但与侧向力相平行的两榀框架(常称为腹板框架)受力，而且与侧向力相垂直方向的两榀框架(常称为翼缘框架)也参加工作，形成一个空间受力体系。框筒同时又作为建筑物围护墙，梁、柱间直接形成窗口。3.2筒中筒结构筒中筒结构是框筒结构和核心筒结合在一起的结构形式。核心筒是在高层建筑平面中，为充分利用建筑物四周的景观和采光，楼电梯间、楼梯间及设备井道等服务性用房的墙布置成钢筋混凝土墙又常位于房屋的中部而形成的。核心筒即可承受竖向荷载有可承受水平力作用。3.3多重筒结构多重筒结构是指在筒中筒结构的内外筒之间增设一圈柱或剪力墙，如果将这些柱或剪力墙连接起来使之亦形成一个筒的作用，则可以认为由三个筒共同工作来抵抗侧向荷载。当建筑物平面尺寸很大或当内筒较小时，内外筒之间的距离较大，即楼盖结构的跨度变大，这样势必会增加楼板厚度或楼面大梁的高度。为降低楼盖结构的高度，就可以采用多重筒结构。3.4束筒结构当建筑物高度或其平面尺寸进一步加大，以至与框筒结构或筒中筒结构可以看成若于个框筒结构组合，它可以有效地减少外筒翼缘框架中的剪力滞后效应，使内筒或内部柱充分发挥作用，这样便产生了束筒结构。由此可以认为束筒结构能够一定程度上的运用于不规则平面的布置。3.5桁架筒结构桁架筒结构指在框筒表面加设巨型对角支撑，以提高框筒结构效能。这时，外围柱的间隔可以加大，对角线撑杆则同外围柱及墙板一起构成斜撑表面框架。这种支撑体系可保证外围柱一起共同工作以抵抗竖向力作用。4.结构布置4.1平面形状筒体结构的特点是空间整体工作，因此平面形状以采用圆形和正多边形为有利。这是比较容易理解的，筒体结构主要的力的作用在中心核心筒上，因此，具有双对称抽的平面图形更能使力均匀。各方向的力都均衡后，这个结构才能更加的稳定。4.2平面尺寸为了使框筒的空间整体工作特性得以充分发挥，单个框筒的平面尺寸不能过大。翼缘越宽，剪力滞后现象越显著，因此，翼缘不宜过宽。外框筒边长不宜过长。如果采用筒中筒结构，自然是内筒面积越大结构越稳定，但是，这会导致外筒与内筒间的面积变小，从而影响使用。所以，衡量好这个比例尤为重要。老师给出的方案为外筒尺寸宜为内筒尺寸的3倍。4.3竖向布置筒体结构宜上下体型一致，竖向结构不宜外伸内收，使整个结构整体工作。因而筒体结构一般都具有棱柱状、圆柱状的简单体型。若使用框筒结构或筒中筒结构因为其外筒柱距较密，常常不能满足建筑使用上的要求。为扩大底层出入洞口，减少底层柱的数目，可以采用巨大的拱、梁或桁架等支撑上部的柱。5.抗震分析在课堂上，老师多次提到了自然灾害地震的可怕性和建筑结构抗震的重要性。汶川地震的种种建筑破坏形态深深的印入了我的脑海。作为未来的建筑相关从业者，我们应该有着更多的责任心去关心这个问题。大到城市建设的选址，小的每个构建的抗震性，下面，介绍一下与筒体结构相关的抗震分析。对于常规的建筑结构起决定作用的是竖向荷载，而在高层筒体结构中竖向荷载虽然仍起了重要作用，但是水平荷载已成为影响建筑结构的关键性因素。钢筋混凝土筒体结构中起控制作用的是水平作用，因此，必然要研究水平地震作用下钢筋混凝土筒体结构的受力特点。对于钢筋混凝土筒体结构来说，实际工程中常见的形式是框架—核心筒结构和筒中筒结构。核心筒整个截面变形基本符合平截面假定，当受到水平地震作用力时，水平垂直的翼缘和水平方向的腹板均参与工作。在地震作用下这种框架—核心筒结构可能会发生以下几种破坏形式:剪力引起的斜向受拉破坏及斜向受压破坏、施工缝截面上的剪切滑移破坏或薄壁界面墙的压屈失稳。前四种破坏全部都属于脆性破坏，当结构发生破坏时，结构的强度会急剧下降。此外当结构发生破坏时如果在连续梁的墙体根部和端头产生塑性铰，核心筒甚至会发生连梁的弯曲剪切破坏以及墙体底部的受弯钢筋屈服破坏，此时结构中由于地震所产生的能量可以以某种稳定的形式耗散掉。分析结构的破坏过程可知，该结构处于弹性阶段时，绝大部分的水平力由芯筒承担，但是芯筒底部在地震荷载的往复作用下首先开裂，于是框架承受了大部分的水平力，且随着结构破坏程度的加强，框架部分承担的荷载比例逐渐加大，随着破坏程度的继续增加，楼板四周的中部出现了开裂，且底层部分几乎全部开裂，但是结构的承载力没有明显下降，直到内部配筋屈服后承载力才开始下降并发生脆性破坏，则框架部分成为了第二道抗震防线，所以此类结构称为双重抗震结构。水平荷载作用产生的变形对于框架—核心筒结构产生不利影响。那么如何限制结构的侧向位移就成为结构抗震研究的重点，目前有两种比较常用的限制侧向位移的方法:设置水平加强层以及设置耗能减震层。设置加强层会使结构发生刚度和内力突变从而容易形成薄弱层，并且这与“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性设计概念不符。而设置耗能减震层会使框架柱的轴力变化比较缓和且对结构底部的剪力和弯矩影响不大。因此，从对结构的整体控制效果上来考虑，设置耗能减震层的抗震效果要优于设置加强层。框筒的翼缘和腹板框架部分在中间部分的应力大于框筒结构，而在角区附近实腹筒体的应力要大于框筒的，这种现象称为剪力滞后。此效应会产生较大的层间剪切变形，是因为结构不能充分发挥整体抗弯性能。外框筒在水平地震荷载作用下会产生较大比重的剪弯变形，内筒在水平地震荷载作用下会产生弯曲变形，其层间剪切变形较小。筒中筒结构外筒和内筒的剪弯变形与弯曲变形位移相反，结构底层的层间最大位移角和顶点水平位移均减小。内筒结构具有较强的水平承载力，则外框筒柱发生脆性剪切破坏。筒中筒结构的空间承载力减弱，为了消除剪力滞后效应带来的不利影响，应当采取限制框筒结构的柱距、控制框筒结构的长宽比等措施来缓和剪力滞后效应。6.结语综上便是我对于本门学科中最感兴趣的筒体结构的一些知识汇总及课外补充。在这门学科的学习中，我了解了各类结构的基本组成受力的基本情况以及应用的建筑形式。更为重要的是通过这些结构类型的学习，明白了责任这两个字的重大意义。参考文献：[1]李根深筒体结构设计要点探讨[2]段晓农新型筒体结构体系[3]李新马奎升刘焕磊钢筋混凝土筒体结构的发展及抗震特点[4]赵西安高层建筑结构实用设计方法(五)一筒体结构的设计[5]张星熙薛占营高层建筑框架-筒体结构的设计