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1、5.6 筒体结构分析简介5.6.1 筒体的受力特性一、实腹筒筒体：水平荷载下，不仅腹板参与筒体：水平荷载下，不仅腹板参与工作，翼缘也完全参与工作；弯矩工作，翼缘也完全参与工作；弯矩主要由翼缘承担，剪力主要由腹板主要由翼缘承担，剪力主要由腹板承担。承担。抗弯能力抗弯能力剪力墙：仅水平荷载方向的剪力墙发剪力墙：仅水平荷载方向的剪力墙发挥作用；既承受弯矩又承受剪力作用。挥作用；既承受弯矩又承受剪力作用。B水平荷载BttB+t2tttBttBB2t水平荷载建筑结构设计建筑结构设计课件课件20102010版版东南大学邱洪兴东南大学邱洪兴1实腹筒的截面惯性矩：实腹筒的截面惯性矩：剪力墙的截面模量：剪力墙的
2、截面模量：W Ww w=2tB=2tB2 2/6=/6=tB2/3 由于由于t t远小于，远小于，W Wt t/W/Ww w4 ，即同等条件下，实腹筒体的抗弯承，即同等条件下，实腹筒体的抗弯承载力大致是剪力墙的倍。载力大致是剪力墙的倍。高层结构5.6.1 受力特性受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析IT=(B+t)4/12-(B-t)4/12 =2B3t1+(t/B)2/3截面模量：截面模量：5.6 筒体结构分析筒体结构分析BBttB2t2高宽比高宽比4时，侧移以弯曲变形为主，位移曲线呈弯曲型；时，侧移以弯曲变形为主，位移曲线呈弯曲型；高宽比高
3、宽比1时，侧移以剪切变形为主，位移曲线呈剪切型；时，侧移以剪切变形为主，位移曲线呈剪切型；高宽比高宽比14时，侧向位移曲线介于剪切型与弯曲型之间。时，侧向位移曲线介于剪切型与弯曲型之间。(a)H/B=4(b)H/B=1变形特性变形特性高层结构5.6.1 受力特性受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析3剪力滞后高层结构5.6.1 受力特性受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析梁的剪切变形dxVVmmnnaabb(a) 梁段(b) 单元剪切
4、变形(c) 截面剪切变形aabbbbaammnnnnmm4剪切变形对正应力分布的影响(a) 实际分布(b) 按平截面假定的分布(c) 修 正项考虑剪切变形后，正应力沿截面高度不再是线性变化。考虑剪切变形后，正应力沿截面高度不再是线性变化。 剪切变形将使得靠近中和轴一段区域内的正应力变小；另外区段剪切变形将使得靠近中和轴一段区域内的正应力变小；另外区段内的正应力增加，这种现象在工程上称为内的正应力增加，这种现象在工程上称为剪力滞后剪力滞后效应，由剪力效应，由剪力引起的正应力滞后引起的正应力滞后 。 对于一般的矩形截面浅梁，修正项占的比例不大，当梁的跨高比对于一般的矩形截面浅梁，修正项占的比例不大
5、，当梁的跨高比等于等于2时，修正项为主要项的时，修正项为主要项的1/15 5宽翼缘梁（工字形截面）(a) 剪应力分布(b) 正应力分布 翼缘中不仅存在沿竖直方向的剪应力（图中未画），还存在沿水翼缘中不仅存在沿竖直方向的剪应力（图中未画），还存在沿水平方向的剪应力。这种剪应力沿翼缘是变化的，因而翼缘截面会出平方向的剪应力。这种剪应力沿翼缘是变化的，因而翼缘截面会出现翘曲，出现与腹板类似的剪力滞后效应：靠近腹板的正应力大于现翘曲，出现与腹板类似的剪力滞后效应：靠近腹板的正应力大于按平截面假定计算的数值；而远离腹板的正应力小于按平截面假定按平截面假定计算的数值；而远离腹板的正应力小于按平截面假定计算
6、的数值计算的数值 6箱型截面的剪应力分布 翼缘水平向的剪应力沿宽度翼缘水平向的剪应力沿宽度方向呈线性变化，当翼缘很宽方向呈线性变化，当翼缘很宽时，其数值会很大；时，其数值会很大； 水平剪应力引起的剪切应变水平剪应力引起的剪切应变使得纵向应变在翼缘宽度范围使得纵向应变在翼缘宽度范围内不相等，因而其正应力沿宽内不相等，因而其正应力沿宽度方向不再是均匀分布；度方向不再是均匀分布； 靠近腹板位置的正应力大，远离腹板位置的正应力小，出现靠近腹板位置的正应力大，远离腹板位置的正应力小，出现剪剪力滞后力滞后。 高层结构5.6.1 受力特性受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.
7、5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析实腹筒(箱形截面)7二、框筒普通框架仅考虑平面内的承载能力和刚度，而忽略平面外的作用；普通框架仅考虑平面内的承载能力和刚度，而忽略平面外的作用； 框筒结构的水平剪力主要由腹板框架承担，整体弯矩则主要由一框筒结构的水平剪力主要由腹板框架承担，整体弯矩则主要由一侧受拉，另一侧受压的翼缘框架承担。侧受拉，另一侧受压的翼缘框架承担。LB水平荷载与框架的比较与框架的比较高层结构5.6.1 受力特性受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析8实腹筒应力L实际应力分布实际应力分布B水平
8、荷载(b)框筒结构的正应力分布 相对于实腹筒，框筒的宽相对于实腹筒，框筒的宽度很大，因而这种剪力滞后度很大，因而这种剪力滞后现象非常明显；现象非常明显； 减小剪力滞后的措施减小剪力滞后的措施: :采用束筒减小筒体的高宽比；在顶层和设采用束筒减小筒体的高宽比；在顶层和设备层设置刚度很大的水平构件（帽备层设置刚度很大的水平构件（帽桁架和腰桁架）桁架和腰桁架）；采用剪切刚度；采用剪切刚度很大的桁架筒。很大的桁架筒。 框筒腹板的裙梁并不具有框筒腹板的裙梁并不具有无限抗剪刚度，剪力滞后现无限抗剪刚度，剪力滞后现象也存在于框筒的腹板中。象也存在于框筒的腹板中。 可见，框筒的腹板框架和翼缘框架在中间部分的应
9、力均小于按可见，框筒的腹板框架和翼缘框架在中间部分的应力均小于按平截面假定的应力分布；在角区附近的应力大于按平截面假定的应平截面假定的应力分布；在角区附近的应力大于按平截面假定的应力分布。力分布。 95.6.2 简化分析方法假定翼缘框架中部若干柱不承假定翼缘框架中部若干柱不承担轴力，而其余柱构成的截面担轴力，而其余柱构成的截面符合平截面假定。符合平截面假定。有效翼缘宽度b有效翼缘宽度b水平荷载等效槽形截面的有效宽度等效槽形截面的有效宽度b b取以下三种情况的最小值：框筒腹板取以下三种情况的最小值：框筒腹板框架全宽框架全宽B B的的1/21/2；框筒翼缘框架全宽；框筒翼缘框架全宽L L的的1/3
10、1/3；框筒总高度；框筒总高度H H的的1/101/10。将双槽形作为整体截面，利用材料力学公式可以求出整体弯曲应将双槽形作为整体截面，利用材料力学公式可以求出整体弯曲应力和剪应力。力和剪应力。一、框筒结构LB水平荷载高层结构5.6.1 受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析5.6.2 分析方法分析方法10单根柱范围内的弯曲正应力合成柱的轴力：单根柱范围内的弯曲正应力合成柱的轴力：柱轴力柱轴力层高范围内的剪应力构成了裙梁的剪力：层高范围内的剪应力构成了裙梁的剪力：裙梁剪力裙梁剪力裙梁的弯矩可根据反弯点在梁净跨中点的
11、假定，按下式确定裙梁的弯矩可根据反弯点在梁净跨中点的假定，按下式确定裙梁弯矩裙梁弯矩高层结构5.6.1 受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析5.6.2 分析方法分析方法11各柱受到的剪力可近似按壁式框架的抗侧刚度各柱受到的剪力可近似按壁式框架的抗侧刚度D D进行分配，即进行分配，即柱剪力柱剪力柱子的局部弯矩近似取柱子的局部弯矩近似取柱弯矩柱弯矩高层结构5.6.1 受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析5.6.2 分析方法分析方法12框
12、架框架筒体结构的受力性能类似框架筒体结构的受力性能类似框架剪力墙结构。剪力墙结构。二、框架筒体结构和筒中筒结构对于具有两个相互垂直对称轴的框架对于具有两个相互垂直对称轴的框架筒体结构，可以在两个筒体结构，可以在两个方向分别将框架合并为综合框架，将箱形截面的筒体划分为平面方向分别将框架合并为综合框架，将箱形截面的筒体划分为平面剪力墙（带翼缘），然后合并成综合剪力墙。剪力墙（带翼缘），然后合并成综合剪力墙。对于筒中筒结构，将框筒作为普通框架处理，按框架对于筒中筒结构，将框筒作为普通框架处理，按框架剪力墙结剪力墙结构进行水平力的分配。构进行水平力的分配。高层结构5.6.1 受力特性5.2 剪力墙性能5.3 剪力墙分析5.4 框架剪力墙分析5.5 框架支撑分析5.6 筒体结构分析筒体结构分析5.6.2 分析方法分析方法13