筒体结构类型与核心筒的作用及连接方式

1.筒体结构的构成及适用范围

当建筑物超过40～50层时，要采用抗侧刚度更大的结构体系——筒体结构体系。筒体结构体系的概念是在20世纪60年代初由美国工程师法卢齐·坎恩提出来的，他设计了第一幢钢框筒结构，即芝加哥43层的德威特切斯纳特公寓。美国休斯敦市52层、高218m的贝壳广场大厦是按筒体概念设计的第1幢钢筋混凝土高楼。

筒体结构的外围框架由密排柱和窗裙深梁形成的网格组成，窗洞尺寸大约为墙体表面的50%，看上去与多孔的墙体一样。筒体结构的刚度很大，它好似竖立着的薄壁箱形大梁，这类结构比平面剪力墙的侧向刚度大得多，是超高层建筑中比较理想的结构体系，但是筒体结构对于建筑物本身的体型和平面形状也有一定的限制，剪力滞后现象的存在使得结构计算变得较为复杂。

2.筒体结构的结构类型

筒体结构包括核心筒结构、框筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、成束筒结构和多重筒结构等类型，如图1.83所示。

1）核心筒结构

核心筒可以作为独立的高层建筑承重结构，同时承受竖向荷载和侧向力的作用。核心筒具有较大的抗侧刚度，且受力明确，分析方便。核心筒是个典型的竖向悬臂结构，属静定结构。

2）框筒结构

典型的由密柱深梁组成的框筒结构平面如图1.83（a）所示。当框筒单独作为承重结构时，一般在中间需布置适当的柱子，用以承受竖向荷载，并减小楼盖的跨度，如图1.83（b）所示。侧向力全部由框筒结构承受，框筒中间的柱子仅承受竖向荷载，由这些柱子形成的框架对抵抗侧向力的作用很小，可以忽略不计。

图1.83　筒体结构类型

3）筒中筒结构

将核心筒布置在框筒结构中间，便成为筒中筒结构，如图1.83（c）所示。筒中筒结构平面的外形宜选用圆形、正多边形、椭圆形、矩形或三角形等。建筑布置时，一般是将楼梯间、电梯间等服务设施全部布置在核心筒内（又称中央服务竖井），而在内、外筒之间提供环形的开阔空间，以满足建筑上的自由分隔、灵活布置的要求。

4）框架-核心筒结构

框架-核心筒结构，又称内筒外框架结构，如图1.83（d）所示。将外筒的柱距扩大至4～5m或更大，这时周边的柱子已不能形成筒的工作状态，而相当于框架作用，借以满足建筑立面、建筑造型和建筑使用功能的要求。

5）成束筒结构

成束筒结构，又称组合筒结构，如图1.83（e）所示。当建筑物高度或其平面尺寸进一步加大，以至于框筒结构或筒中筒结构无法满足抗侧刚度要求时，可采用成束筒结构，例如美国西尔斯大厦，高443m，由9个核心筒组合成束。由于中间两排密柱深梁的作用，可以有效地减轻外筒的负担，外筒翼缘框架柱子的强度得以充分发挥。

6）多重筒结构

当建筑平面尺寸很大，且内筒较小时，可以在内外筒之间增设一圈柱子或剪力墙，再将这些柱子或剪力墙用梁联系起来，便形成一个筒的作用，从而与内外筒共同抵抗侧向力，这就成为一个三重筒结构，如图1.83（f）所示。

3.筒体结构的结构布置

1）一般规定

（1）核心筒或内筒的外墙与外框柱间的中距，非抗震设计宜不大于15m，抗震设计宜不大于12m；超过时，宜采取增设内柱等措施。

（2）核心筒或内筒中的剪力墙截面形状宜简单，截面形状复杂的墙体，可按应力进行截面设计校核。(www.xing528.com)

（3）核心筒或内筒的角部附近不宜在水平方向连续开洞，洞间墙肢的截面高度不宜小于1.2m。当洞间墙墙肢的截面高度与厚度之比小于4时，宜按框架柱进行截面设计。

（4）楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上。

（5）筒体结构的混凝土强度等级不宜低于C30。

2）框架-核心筒结构

（1）核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于筒体总高的1/12。当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。

（2）核心筒应具有良好的整体性，并满足下列要求：①墙肢宜均匀，对称布置；②筒体角部附近不宜开洞，当不可避免时，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙的截面厚度；③核心筒外墙的截面厚度不应小于层高的1/20及200mm，对一、二级抗震设计的底部加强部位，不宜小于层高的1/16及200mm，核心筒内墙的截面厚度不应小于160mm。

（3）框架-核心筒结构的周边柱间必须设置框架梁。

3）筒中筒结构

（1）筒中筒结构的高度不宜低于80m，高宽比不应小于3。

（2）筒中筒结构的内筒宜居中，矩形平面长宽比不宜大于2。

（3）内筒的边长可为高度的1/12～1/15，如有另外的角筒或剪力墙时，内筒平面尺寸还可适当减小，内筒宜贯通建筑物全高，竖向刚度宜均匀变化。

（4）三角形平面宜切角，外筒的切角长度不宜小于相应边长的1/8，其角部可设置刚度较大的角柱或角筒；内角的切角长度不宜小于相应边长的1/10，切角处的筒壁宜适当加厚。

（5）外框筒应符合下列规定：①柱距不宜大于4m，框筒柱的截面长边应沿筒壁方向布置，必要时可采用T形截面；②洞口面积不宜大于墙面面积的60%，洞口高宽比宜和层高与柱距之比值相近；③外框筒梁的截面高度可取柱净距的1/4；④角柱截面面积可取中柱的1～2倍。

4.筒体结构的受力特点

筒体结构为空间受力体系，其受力状态，既近似于薄壁箱形结构，又基本属于竖立的悬臂结构。下面仅就矩形平面的框筒结构在侧向力作用下的受力特点，予以概要分析。

框筒结构是由窗裙深梁和密排宽柱组成的空间框架结构体系。一个矩形框筒，可以参照竖立的工字形截面长悬臂柱，将垂直于侧向力作用方向的前后两片框架，视作翼缘框架，将平行于侧向力作用方向的左右两片框架，视作腹板框架。如图1.84（a）所示。

若是窗洞很小，则由密柱深梁组成的每榀框架相当于整体剪力墙。那么，整个框筒，例如在均布水平风荷载的作用下，各片框架柱的受力状态就与竖立的工字形截面柱的受力状态基本相同；在迎风面的翼缘框架受拉，且每个柱的拉应力相等，在背风面的翼缘框架受压，每个柱的压应力相等；两侧的腹板框架柱，以中和轴为界，靠近迎风面一侧受拉，靠近背风面一侧受压，两侧腹板框架柱的应力，从拉到压呈线性变化。如果按照悬臂梁计算，不难算出翼缘框架柱和腹板框架柱的拉应力和压应力值，以及整个框筒的弯曲变形值，如图1.84（b）所示。这种受力分析的前提是窗裙梁很高，刚度非常大，致使同一片翼缘框架各柱的拉、压变形完全相同，腹板框架柱的变形也按线性变化。

图1.84　筒体结构在侧向力下的受力特点

事实上，每层窗裙梁的刚度不可能无限大，当腹板框架提拉或按压角柱时，正是靠角柱与窗裙梁之间的剪力传给翼缘框架中部每一个框架柱的。由于每段窗裙梁的剪切变形，而形成同一层窗裙梁发生整体弯曲，所以靠近中部各段窗裙梁传给柱节点的剪力（对柱而言为拉力或压力）迟迟达不到角柱直接传给窗裙梁的剪力值，此即所谓“剪力滞后”。这种“剪力滞后”现象，使得靠近中部各柱的拉伸（或压缩）应变和应力小于角柱的拉伸（或压缩）应变和应力。而且越靠近中部，柱应变和应力越小。由于底层柱的应变和应力最大，需要通过窗裙梁传递的剪力也最大，窗裙梁的剪切变形也最大，所以，这种“剪力滞后”现象，以结构底层最为明显，如图1.84（c）所示。

剪力滞后现象使角柱应力集中，使参与受力的翼缘框架柱减少，空间受力性能减弱。如果能减少剪力滞后现象，使各柱受力尽量均匀，则可大大增加框筒结构的侧向刚度和承载能力，充分发挥所用结构材料性能，更加经济合理。

影响框筒结构剪力滞后的主要因素是：①受梁柱刚度比影响，梁柱刚度比愈小，剪力滞后愈严重，角柱应力愈大；②平面形状愈接近正方形，剪力滞后现象愈轻，长宽比愈大，剪力滞后现象愈严重；③高宽比；④框筒结构的角柱截面必须大小适当：太大，则与之相连的梁中剪力过大，剪力滞后现象严重；过小，则不能将剪力传递给腹板框架，降低空间作用。

为保证与翼缘框架在抵抗侧向荷载中的作用，以充分发挥筒的空间工作性能，一般要求墙面上窗洞面积不宜大于墙面总面积的50%，周边柱轴线间距为2～3m，不宜大于4.5m，窗裙梁截面高度一般为0.6～1.2m，截面宽度为0.3～0.5m，整个结构的高宽比宜大于3，结构平面的长宽比不宜大于2。