筒體結構設計及其實例計算分析探討

摘 要：對于高層結構設計來說，筒體結構是其中可選用的結構形式，合理地結構布置以及設計將使得結構更安全與經濟性。本文從理論出發，結合某筒中筒結構設計案例，探討了筒中筒結構布置以及設計的相關技術要求，結合實例來加以詮釋，為同行提供參考。

關鍵詞：結構設計 筒中筒 結構布置 計算分析

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0072-02

1 筒體結構布置

對于筒體結構來說，首先要采取合理的結構布置，才能有效地確保結構的安全以及經濟性。在一般工程中，筒體結構由于該結構類型在外筒或外框簡采用密排柱，因此而限制了建筑物底部的使用，但為了能有效地滿足建筑使用要求，大多是在筒體結構底層采用大空間，從而造成相鄰層的豎向構件不貫通，在此間需要采用轉換層設計。對于筒體結構轉換層及其以下各層結構布置時需要慎重地考慮，具體布置時結合筆者工程實踐經驗，總結以下幾點。

（1）對于筒中筒或者框架核心筒結構來說，其結構的內筒以及核心筒應當從上到下貫通處理，同時對于轉換層以下的筒體墻厚必須采取加厚處理。（2）對于筒中筒結構的底層或底部幾層的抽柱應充分考慮建筑的使用要求以及建筑立面設計要求進行。同時對于抽柱位置適宜采取均勻對稱，避免一側抽柱一側不抽的情況，而且禁止抽取角柱，抽柱方式采用隔一抽一原則進行，不應連續抽去多于2根以上的柱，且其位置應在建筑物中部，對稱主軸附近。（3）對于結構底層或底部幾層抽柱后，可考慮采取預應力梁或者桁架等結構形式來支撐上部密排柱。（4）轉換構件上、下層的側向剛度比同時應滿足規范要求，避免抽柱后形成側向剛度比的不足。（5）對于轉換層上、下部結構質量中心宜接近重合（不包括裙房）。

2 筒體結構設計技術要點

2.1 計算程序的判斷

筒體結構的結構分析應符合《高規》和《建筑抗震設計規范》的有關規定，采用三維空間分析方法進行內力分析。對B級高度或體型復雜的筒體結構應采用兩個或兩個以上不同力學模型的空間分析程序進行內力分析和比較，考慮雙向水平地震下的扭轉地震作用效應、并應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。尤其是對于外孔較大、整體較差、有較長外伸段或相鄰層剛度突變的樓蓋，在側向荷載作用下，須考慮樓蓋變形對筒體結構部分豎向構件的不利影響，一般應按樓板有限剛度進行結構整體分析。如采用樓板剛度無限大的假定計算，則構件的最不利內力宜乘以1.1～1.2的增大系數。

對于筒體結構來說，其難免地出現框架梁搭接在筒體上。對于框架梁與筒墻之間的支承條件計算應采取合理的假設。支承在核心筒外路上的框架梁的支承條件可按以下情況分別確定：（1）沿著梁的軸線方向有墻相連接時，可按剛接。（2）核心筒外墻厚度大于0.4LaE（梁的縱向主筋錨固長度）且梁端內側樓板無洞情況時可假設為剛接；對于在梁支座處另設附墻柱時則可考慮剛接計算。

2.2 帶轉換層的筒體結構分析

對于某些筒體結構存在帶轉換層情況，這時對于帶轉換層的筒中筒結構一般應進行不抽柱的三維空間整體分析與抽柱后的三維空間整體分析（其計算模型應能反映或模擬轉換層結構的實際工作狀態，轉換層結構以下部分可取不帶剛域桿單元即純桿單元），并對其側向變形與主要桿件的內力進行比較，其側向層間變形不應有突變，而且對于框筒柱組合的軸力設計值增加不宜小于80%，其組合的剪力設計值不宜增大30%。（2）對于采用斜撐轉換、拱轉換層結構時，宜采用抽柱前最大組合軸力設計值對其進行筒化補充計算，并與整體空間三維計算結果相比較。（3）帶轉換層的筒體結構的結構分析的其他規定，同時應該按照高層混凝土結構設計規范相應標準進行。

2.3 內力調整

（1）對于框架樓層總剪力的調整，從國內外較多的震害現象表明，框架—核心筒結構在強烈地層作用下，框架柱的損壞程度明顯大于核心筒，為了提高框架柱的承載能力，應適當調整各框架柱的地震剪力。同時《高規》明確規定，對于高層結構抗震設計時，應對各層框架柱的地震剪力進行調整，具體調整內容及方法同框架—剪力墻結構。

（2）構件的內力調整。從模型試驗結果分析表明，當采用薄壁桿系模型進行三維整體分析時，由于裙梁的存在，框筒柱的實際軸向變形比按純桿件計算的軸向變形小，水平荷載下，外框筒的計算內力值將偏小，因此，在計算時宜對框筒柱的單元軸向剛度進行修正，乘以放大系數1.05～1.1。

（3）連梁的剛度折減。核心筒外墻門洞口的連梁的剛度折減系數不宜小于0.5，當墻肢受彎承載能力很強且連梁的過早屈服或破壞對其承受豎向荷載影響不大時，可取較小的剛度折減系數，并按其內力分析結果，對墻肢進行截面設計。

3 工程實例

某大酒店建筑地下2層，地上34層，裙房2層。平面為缺角三角形，如圖1所示。對于結構主體高度為106.95 m，總高度112.8 m，如圖2所示，整個酒店的建筑面積為36836 m2。建筑所在地區的抗震設防烈度為8度，該酒店抗震設防類別為丙類，場地列別為Ⅲ類場地。本工程采用鋼筋混凝土筒中筒結構，外筒為框架筒體，除沿每一三角形邊設置6根柱子用裙梁相連形成框架外，三角形缺角部分為剪力墻，構成角部較強的邊框。同時利用無窗洞的上下設備層形成兩道剛件環梁，以提高結構的抗側力剛度、減少結構的側向位移。

外框筒自地面以上高度為106.95 m，高寬比為3.45，外框筒柱距3.6 m，由于標難層以上樓面均有挑出陽臺，窗裙梁只能設置于樓板以下，其高度為00.7 m，高跨比為1/3，外框筒開洞率為34.8%。內筒為由墻體組成的核心筒，墻體的布置主要適應電梯、樓梯、衛生問、機房及管道豎井等平面布置的需要。內筒高度為112.8 m，邊長為18 m，高寬比為6.27。由于一層、二層有門廳、餐廳等大開間的需要，部分剪力墻不能落地，而采用了部分框支剪力墻結構。為保證一層、二層框支剪力墻的地震力能可靠傳遞，防止上下層剛度突變，故利用二層以上設備層做成剛性過渡層，此層之頂板及底板做成200 mm厚之現澆混凝土板，與墻體形成—空間箱型結構。外框筒墻厚采用外平內收分段減小厚度（由550～400 mm），內框筒墻厚采用內平外收分段減小厚度（由500～300 mm）?，F澆普通粱板結構，考慮到溫度影響和結構變形等因素，樓板與內筒之間的連接按鉸接。部分電算結果見表1所示。

另外，考慮功能要求，主樓和裙房之間從下到上均未設置沉降經，而是采取調整沉降差異及待主樓施工完畢再施工裙房的辦法，并將裙房樓蓋與主樓的連接做成餃接?；A為箱型基礎加摩擦校的聯合基礎。沿主樓內外筒墻下布置預制鋼筋混凝土長樁，裙房墻下則布置短樁。樁基承受全部上部荷載，箱基則僅考慮20%的基底反力及水浮力進行局部彎曲計算。因箱基兼做承臺，故還講行沖切驗算。由計算結果表明，主樓的內筒起主要作用：內筒在結構小下部承擔了70%的剪力，隨層數的增加逐漸降低，到結構頂層，內筒堵體各薄壁柱出現變號現象時，外筒才承擔了較大剪力。在結構底部，內筒也承擔了約80%的彎矩，直到25層時，外筒才承擔利了約75%的彎矩；頂部因剛性環梁的約束，內力變號，內筒又承擔了較大的彎矩。與水平力成任何角度的外框柱軸力分布都存在著剪力滯后現象。但由于高寬比較小（3.45），空間作用好，外筒角校剛度大，裙梁較矮（700 mm），柱梁剛度比大，加之在結構底部和頂部設置了兩道環梁，故剪力滯后現象不很嚴重，曲線乎緩，各柱軸力基本均勻。

4 結論

鑒于筒體結構在高層建筑設計中的應用情況，文章結合筆者工程實踐經驗，以及某高層建筑結構設計實例，對該高層建筑中筒中筒結構布置，計算分析及相關問題進行了簡要的闡述和分析，為同行提供參考借鑒。

參考文獻

[1]屠成松，廖曉明.鋼筋混凝土筒中筒結構的優化設計[J].土木工程學報，2013（1）：118～119.

[2]黃本才，屠成松.高層筒中筒結構的優化設計及其應用[J].同濟大學學報，2010（2）：31～33.

[3]栗秀文.筒中筒結構的概念設計和簡化靜力分析[J].長安大學學報：建筑與環境科學版，2010（5）：11～15.