基于建筑框筒結構設計參數的研究

■李安柯，李倩倩 ■河南省朝陽建筑設計有限公司，河南 鄭州 450000

筒體結構是建筑空間整截面工作結構，如同一根豎立在地面上的懸臂箱形梁，不僅外形美觀，在使用上方便靈活，受力合理，側向剛度強。建筑筒體結構主要分為筒中筒以及框架核心筒結構。高層建筑的支撐框筒，乃是根據桁架內力分布的特點，而且依據他自身的易變形點，并在這一個基礎之上把大型支撐分布于框筒結構表面，最終形成了高大建筑物支撐框筒。建筑物的大型支撐框筒結構大大削弱了剪力滯后效應，有利于增大柱距和穩固整個框筒結構，實現建筑物空間的靈活性。大型支撐框筒結構主要用于高層建筑物，結構構件具有主次之分，主結構包括外框筒柱、內承重柱、大型斜撐、主樓層外框筒梁，主結構為主要抗側力體系，主要承擔水平荷載和豎向荷載;次結構包括次樓層梁、結構內部框架梁、樓板，次結構只承擔豎向荷載和局部水平荷載。本文以某高層寫字樓的大型支撐鋼框筒結構為例，進行參數分析和設計，提出此建筑框筒結構設計參數。

1 工程結構

某高層寫字樓為60層大型支撐鋼框筒結構建筑，建筑總高度為216米，每層高度為3.6米，平均每12層建一對大型斜撐，斜撐結構為42m×42m，每邊為6跨。此建筑位于沿海地區，沒有抗震防設措施。經過測量，此地的基本風壓約為0.7kN/m2，最大斜撐尺寸值為，柱尺寸的最大值約為，標準層荷重大約是。

2 設計參數分析

通過分析發現，主構件剛度比，斜支撐角度，結構高度比，結構平面長寬比，結構高度，外框筒柱距等參數會影響建筑物的框筒結構性能。大型支撐框筒的結構性能評價指標主要包括結構側移指標，結構內力指標，剪力滯后效應指標，結構效率指標。

2.1 構件剛度比對結構的影響

角柱把以下兩樣東西聯系在一起，即我們所說的腹板跟翼緣框架，這樣一來使得框筒產生空間受力。而承擔外傾覆力矩的關鍵點是中柱，因為中柱的作用是產生抵抗矩為建筑物體。斜撐結構的存在使得整個框筒提高了效率。而斜撐是基于豎向荷載，最終才可以使外框架柱軸力勻稱化。斜撐代替窗群梁，在整個框筒結構中傳遞兩種類型的剪力，即豎向與水平剪力，因此充分地減小結構次內力。斜撐外框架柱同步抵御風荷載。若斜撐的剛度弱就無法起到作用，造成結構構件的變形，反之就會增大角柱承受力。由此我們可以得出，框筒結構受到支撐鋼度很大的影響。

通過進行大型斜撐剛度加倍減半實驗，研究分析可得:(1)斜撐剛度與結構側移成反向比，剛度大，側移小。所以增強斜撐剛度可以對層間側移有所減輕。(2)斜撐剛度的增加大大減弱剪力滯后效應。斜撐剛度大，剪力滯后就不明顯，角柱軸力減小，中柱軸力則增加。(3)剛度與翼緣柱傾覆力矩分配比的關系并不顯著。。

2.2 斜撐角度變化對結構性能的影響

在大型支柱框筒結構中，最重要的結構就是巨型斜撐，它關系著整個框筒結構的剪力傳遞與水平剛度。為了協調整個框筒結構的內力傳遞，大型支撐需要以建筑物的層高和柱跨作為參考，然后進行框柱的布置。由于斜撐角度影響著斜撐所跨樓層，因此它會影響結構水平剛度以及結構側移和層間側移。如果斜撐跨越的樓層過多，一個支撐區內的荷載將會變大，與此同時，斜撐產生水平與豎向剪力在加大的情況下，角柱力也突然加大。若斜撐長，那么就影響到它的軸向變形，加大各個柱之間的相對錯動，進一步加劇了結構的剪力滯后效應。

調整結構斜撐傾角，我們把斜撐分別跨15和9個樓層，將柱距擴大成原來的兩倍，進行對比分析可以得出以下結論:(1)斜撐角度的變化影響著剪力滯后效應，隨著斜撐角度增大，剪力滯后效應也加大。對于結構底部，斜撐角越大，角柱與中柱軸力則越小，這主要是由于豎向力傳遞造成的效果。(2)隨著柱距加大，結構性能劣化，剪力滯后效應就越明顯。不過也存在偏差，因為每個翼緣面之內會有兩個中柱，如果柱截面不變的情況下，整個框筒結構會逐漸變形，從而造成柱軸力的增大。如果運用相等的用鋼量進行設計，框筒結構的變形才會大大減少。(3)在柱距相等時，斜撐角度跟支撐框筒側移無關，但是會較大程度的影響層間側移。因為斜撐角與層間側移正相關，這就可以得出結構層剛度會有增大趨勢。(4)斜撐角度的變化基本不影響翼緣柱總傾覆力矩分配比。

2.3 結構平面形狀對結構性能的影響

在國內我們一般依照兩條原則確定框筒平面的形狀，首先框筒結構的平面形狀要充分發揮大型支撐框筒結構的整體工作特性，其次選擇具有對稱性質的平面形狀，對稱性質的平面形狀結構在地震中可以有效的減少扭轉和損壞。綜合概之，像正三角形、圓形等這樣具有對稱性的平面形狀是最科學和合理的。本文就以矩形為例，來討論結構平面形狀長寬比跟結構性能之間的相互關系。結構平面形狀中，垂直于水平荷載方向的邊長不能過長，長與寬的比例不能過大，如果過大會降低結構空間工作性能，加大框筒的剪力滯后現象。因此要嚴格控制筒體結構的平面尺寸，保障筒體結構的空間整體工作特征。

在結構平面面積相同的情況下，通過對四個不同長寬比例的模型進行對比分析，可以總結出以下結論:(1)平面形狀的長寬比影響著結構側移和層間側移。當平面形狀的長寬比增大時，結構順風面的寬度減小，結構的抵抗矩減少，結構的抗側剛度不斷減弱。(2)平面形狀的長寬比越大，結構的剪力滯后效應不斷加重，角柱應力集中系數也不斷增大。隨之角柱與冀緣中柱軸力也不斷加大。(3)由于平面形狀長寬比增大，筒體結構效率不斷降低。

2.4 結構高度和高寬比對結構性能的影響

框筒結構的高度和寬度要具有科學合理性，高寬比值過小，則會造成筒體空間效應比較小;反之過大，則難以把控結構側移。結構高度也是如此。

(1)結構高寬比同總傾覆力矩的關系比較小，而局部彎矩在之中所占的比例較小。(2)隨著結構高寬比的增加，結構總側移角和層間側移角不斷增大。與此同時，筒體效應得以充分發揮，剪力滯后效應不斷減弱。(3)結構高度不斷增加，整體框筒的用鋼量不斷增加，用鋼量呈非線性增長趨勢。

3 總結

綜上所述，建筑物中的大型支撐框筒結構的設計參數需要注意以下問題:(1)在框筒結構的主構件剛度比方面，角柱，中柱，內柱，斜撐截面的尺寸大小等參數需要以最開始的設計為依據。在整個框筒結構中，角柱的功能主要是傳遞斜撐荷載，剪力滯后現象存在整個結構工作的始終，由此可知角柱剛度必須要強于中柱剛度。斜撐剛度應該在角柱剛度和中柱剛度之間，隨著結構剛度的增大，剪力滯后效應逐漸減少。(2)斜撐角度應該在30°至60°之間。斜撐角度對層間側移的影響力偏大，對剪力滯后也有一定的影響。隨著斜撐角度不斷變小，層間側移也隨之變小，同時剪力滯后效應也不斷減弱。在這種情況下，豎向力傳遞效率也大大降低，而外框架內力不斷增大。(3)在矩形平面長寬比方面，比例保持在1∶1最佳，不能超過2∶1。這是由于如果長寬比過大，框筒結構的性能就會受到影響，框筒結構的剪力滯后效應也會隨之增大。(4)高層建筑物的大型支撐框筒結構的高寬比最佳值應在3至7之間。若高寬比值過大，就會造成用鋼量變大，無法控制結構側移;如果結構高寬比過小，就會增加結構剪力滯后效應。

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