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第七章 筒体结构

7.1筒体结构的类型

l １.特点：
l 筒体结构——将剪力墙集中到房屋的内部或外部形成封闭的筒体。
l 筒体在水平荷载作用下好像一个竖向悬臂空心柱体，结构空间刚度极大，抗扭性能也好
l 剪力墙集中布置不妨碍房屋的使用空间，建筑平面布置灵活，适用于各种高层公共建筑和商业建筑
l 2.筒体结构体系的类型：框筒结构、筒中筒结构、

框架核心筒结构、多重筒结构和束筒结构。
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一、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。为了减少楼盖结构的内力和挠度，中间往往要布置一些柱子，以承受楼面竖向荷载。

二、筒中筒结构
在高层建筑中，往往有一定数量的电梯间或楼体间及设备井道的墙布置成钢筋混凝土墙，它既可以承受竖向荷载，又承受水平荷载作用，楼电梯间等服务性用房常位于房屋的中部，核心筒得名。核心筒一般不单独作为承重结构，而与其他结构组合形成新的结构型式。当把框筒结构与核心筒结合在一起时 ，便成为筒中筒结构。

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三、框架核芯筒结构
筒中筒结构外部柱距较密，常常不能满足建筑设计的要求。有时建筑布置上要求外部柱距在4~5m或更大，这时，周边柱已不能形成筒的工作状态，而相当于空间框架的作用。

四、多重筒结构
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，即楼盖结构的跨度较大，这样势必会增加楼板的厚度或楼面大梁的高度。为降低楼盖结构的高度，可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形成一个筒体的作用。

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五、束筒结构
当建筑物的高度或其平面尺寸进一步加大，以致与框筒结构或筒中筒结构可以看成若干个框筒结构的组合，它就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。
7.2筒体结构的受力性能和工作特点
筒体结构的基本特征是：水平荷载主要是由一个或多个筒体承受，筒体可以是剪力墙薄壁筒，也可以是密柱框筒。
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筒体和理想筒体受力是有差别。理想筒体在水平力作用下，截面保持水平，腹板应力直线分布，翼缘应力相等，而实际框筒则腹板框架轴力曲线分布，翼缘框架轴力也不均匀分布，靠近柱角处轴力大，远离角柱处轴力小。这种不保持直线分布的现象称剪力滞后现象。
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影响框筒剪力滞后现象的因素很多，主要是梁柱线刚度比、平面形状、建筑物的高厚比。
7.3筒体结构的布置
一、平面布置和截面尺寸
1.平面形状
确定筒体结构平面形状的原则：
⑴要有利于筒体空间整体工作特性的充分发挥；
⑵要具有双轴对称，使地震引起的扭转振动减小到最低限度
平面形状采用圆形和正方形最为有利。
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规则平面形状框筒工作性能
形状
圆形
正六边形
正方形
正三角形
1：2矩形
水平荷载相同时
位移
0.91
0.96
1
1
1.72
柱子最不利轴力
0.67
0.96
1
1.54
1.47
基本风压相同时
位移
0.48
0.83
1
1.63
2.46
柱子最不利轴力
0.35
0.83
1
2.53
2.69

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，翼缘框架中会有许多柱子不能发挥作用，外框筒边长≤45m。
筒中筒结构的内筒与外筒之间的距离以7～12m为宜，内筒做的越大，结构的抗侧移刚度越大。一般，外筒尺寸宜为内筒尺寸的三倍。
为发挥密柱框架的框架空间作用，框筒的柱距一般为1.2～3m，横梁跨高比一般为2.5～４,截面高度不得小于600mm。

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3、构件的截面尺寸
①内筒：内筒的筒墙厚度一般较大，可为350mm以上，一般采用400～500mm。内筒的其他墙厚一般为200～250mm。如果刚度不够，可以适当加厚几道主要的其他墙。
②外框筒柱：不论是翼缘框架柱还是腹板框架柱，都宜采用矩形截面，长边在框筒平面内。尽量少用方柱和圆柱。
有时可以在框筒柱外侧加肋形成Ｔ形截面柱，可以满足建筑艺术的要求，还可以提高柱子在平面外的稳定。
角柱宜有较大的刚度，角柱截面面积取一般柱的２倍以上。角柱可以是Ｌ形、方形、箱型截面的小角筒。
③外框筒梁：框筒梁的截面≥600mm，一般为11.5m,以保证框筒的整体作用。在有条件的情况下，在建筑物的顶部或中间部位设置截面很高的刚性环梁，可以提高它的强度和刚度。一般刚性大梁所在层作为设备层。

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二、平面布置实例

美洲银行中心（52层，237m)
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三、竖向布置

1.高宽比：筒体结构宜上下体型一致。筒体结构一般都具有棱柱状、圆柱状的简单体型外框筒高厚比宜大于4。在30～40层以上，或高度不低于60m的建筑，用筒中筒和框筒结构才合理。
外框筒的高厚比也不能过大。否则，可能出现如下情况：
⑴建筑物会因框筒的抗推刚度不足而产生过量的变形；
⑵框筒柱因巨大倾覆力矩引起的拉应力超过重力荷载引起的压应力，而出现轴向受拉；
⑶建筑物在阵风的作用下所产生的振动加速难以控制在允许限值内。
内墙筒的高宽比不宜大于12；
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2.开洞率

1外筒要求作为箱型截面整体工作，因此开孔面积不宜过大。一般情况，钢筋混凝土框筒的立面开洞率不宜大于40%，任何情况都不得大于50%。洞口的高宽比接近于层高与柱距的比值。细高的洞口使窗裙梁高度减小，剪力滞后效应增大；扁宽的洞口使框架平面内的柱宽减小，整体剪切变形增大。
7.4筒体结构的楼盖
筒中筒结构体系中内外筒的间距较大，一般达到8～12m。相应地，内外筒之间的楼盖跨度也较大，在楼盖的选型及布置上有其特点，宜选用结构高度小，整体性强，结构自重轻及有利于施工的楼盖结构形式。
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筒体结构楼面体系常用的形式
１梁板体系。用料省，经济指标好；当要求楼层净高较大时不宜采用。
２扁梁梁板体系。层高受到限制时，梁可以采用宽而扁的截面形式，减少结构的总高度。
３密肋楼盖。由于梁间距小（1.2～1.5m)，梁的高度可以降低。
４平板体系。楼面光洁，适应小的层高，但平板厚度大，不经济，自重也较大。
５预应力平板体系。可以增加刚度，减小板的厚度，但施工较为复杂。
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7.5筒体结构的工程实例

办公标准层平面（54m×54m)
宾馆标准层
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1.上海金茂大厦总高421m，88层，50层以下为办公用房，50层以上为旅馆。
2.大厦结构体系由钢筋混凝土内筒、八个劲性钢筋混凝土巨型外柱及连接8个钢结构加强层组成。内筒为27m×27m的八边形平面，52层以下核心筒内有井字形内墙，53层以上无内墙形成中空。
3.8个巨型外柱设在四边的中部，每边两个。加强层主要设置在24～25层、51～52层、85～86层及顶层，采用两层8m高的钢桁架。

上海金茂大厦