基于建筑框筒结构设计参数的研究

■李安柯，李倩倩 ■河南省朝阳建筑设计有限公司，河南 郑州 450000

筒体结构是建筑空间整截面工作结构，如同一根竖立在地面上的悬臂箱形梁，不仅外形美观，在使用上方便灵活，受力合理，侧向刚度强。建筑筒体结构主要分为筒中筒以及框架核心筒结构。高层建筑的支撑框筒，乃是根据桁架内力分布的特点，而且依据他自身的易变形点，并在这一个基础之上把大型支撑分布于框筒结构表面，最终形成了高大建筑物支撑框筒。建筑物的大型支撑框筒结构大大削弱了剪力滞后效应，有利于增大柱距和稳固整个框筒结构，实现建筑物空间的灵活性。大型支撑框筒结构主要用于高层建筑物，结构构件具有主次之分，主结构包括外框筒柱、内承重柱、大型斜撑、主楼层外框筒梁，主结构为主要抗侧力体系，主要承担水平荷载和竖向荷载;次结构包括次楼层梁、结构内部框架梁、楼板，次结构只承担竖向荷载和局部水平荷载。本文以某高层写字楼的大型支撑钢框筒结构为例，进行参数分析和设计，提出此建筑框筒结构设计参数。

1 工程结构

某高层写字楼为60层大型支撑钢框筒结构建筑，建筑总高度为216米，每层高度为3.6米，平均每12层建一对大型斜撑，斜撑结构为42m×42m，每边为6跨。此建筑位于沿海地区，没有抗震防设措施。经过测量，此地的基本风压约为0.7kN/m2，最大斜撑尺寸值为，柱尺寸的最大值约为，标准层荷重大约是。

2 设计参数分析

通过分析发现，主构件刚度比，斜支撑角度，结构高度比，结构平面长宽比，结构高度，外框筒柱距等参数会影响建筑物的框筒结构性能。大型支撑框筒的结构性能评价指标主要包括结构侧移指标，结构内力指标，剪力滞后效应指标，结构效率指标。

2.1 构件刚度比对结构的影响

角柱把以下两样东西联系在一起，即我们所说的腹板跟翼缘框架，这样一来使得框筒产生空间受力。而承担外倾覆力矩的关键点是中柱，因为中柱的作用是产生抵抗矩为建筑物体。斜撑结构的存在使得整个框筒提高了效率。而斜撑是基于竖向荷载，最终才可以使外框架柱轴力匀称化。斜撑代替窗群梁，在整个框筒结构中传递两种类型的剪力，即竖向与水平剪力，因此充分地减小结构次内力。斜撑外框架柱同步抵御风荷载。若斜撑的刚度弱就无法起到作用，造成结构构件的变形，反之就会增大角柱承受力。由此我们可以得出，框筒结构受到支撑钢度很大的影响。

通过进行大型斜撑刚度加倍减半实验，研究分析可得:(1)斜撑刚度与结构侧移成反向比，刚度大，侧移小。所以增强斜撑刚度可以对层间侧移有所减轻。(2)斜撑刚度的增加大大减弱剪力滞后效应。斜撑刚度大，剪力滞后就不明显，角柱轴力减小，中柱轴力则增加。(3)刚度与翼缘柱倾覆力矩分配比的关系并不显著。。

2.2 斜撑角度变化对结构性能的影响

在大型支柱框筒结构中，最重要的结构就是巨型斜撑，它关系着整个框筒结构的剪力传递与水平刚度。为了协调整个框筒结构的内力传递，大型支撑需要以建筑物的层高和柱跨作为参考，然后进行框柱的布置。由于斜撑角度影响着斜撑所跨楼层，因此它会影响结构水平刚度以及结构侧移和层间侧移。如果斜撑跨越的楼层过多，一个支撑区内的荷载将会变大，与此同时，斜撑产生水平与竖向剪力在加大的情况下，角柱力也突然加大。若斜撑长，那么就影响到它的轴向变形，加大各个柱之间的相对错动，进一步加剧了结构的剪力滞后效应。

调整结构斜撑倾角，我们把斜撑分别跨15和9个楼层，将柱距扩大成原来的两倍，进行对比分析可以得出以下结论:(1)斜撑角度的变化影响着剪力滞后效应，随着斜撑角度增大，剪力滞后效应也加大。对于结构底部，斜撑角越大，角柱与中柱轴力则越小，这主要是由于竖向力传递造成的效果。(2)随着柱距加大，结构性能劣化，剪力滞后效应就越明显。不过也存在偏差，因为每个翼缘面之内会有两个中柱，如果柱截面不变的情况下，整个框筒结构会逐渐变形，从而造成柱轴力的增大。如果运用相等的用钢量进行设计，框筒结构的变形才会大大减少。(3)在柱距相等时，斜撑角度跟支撑框筒侧移无关，但是会较大程度的影响层间侧移。因为斜撑角与层间侧移正相关，这就可以得出结构层刚度会有增大趋势。(4)斜撑角度的变化基本不影响翼缘柱总倾覆力矩分配比。

2.3 结构平面形状对结构性能的影响

在国内我们一般依照两条原则确定框筒平面的形状，首先框筒结构的平面形状要充分发挥大型支撑框筒结构的整体工作特性，其次选择具有对称性质的平面形状，对称性质的平面形状结构在地震中可以有效的减少扭转和损坏。综合概之，像正三角形、圆形等这样具有对称性的平面形状是最科学和合理的。本文就以矩形为例，来讨论结构平面形状长宽比跟结构性能之间的相互关系。结构平面形状中，垂直于水平荷载方向的边长不能过长，长与宽的比例不能过大，如果过大会降低结构空间工作性能，加大框筒的剪力滞后现象。因此要严格控制筒体结构的平面尺寸，保障筒体结构的空间整体工作特征。

在结构平面面积相同的情况下，通过对四个不同长宽比例的模型进行对比分析，可以总结出以下结论:(1)平面形状的长宽比影响着结构侧移和层间侧移。当平面形状的长宽比增大时，结构顺风面的宽度减小，结构的抵抗矩减少，结构的抗侧刚度不断减弱。(2)平面形状的长宽比越大，结构的剪力滞后效应不断加重，角柱应力集中系数也不断增大。随之角柱与冀缘中柱轴力也不断加大。(3)由于平面形状长宽比增大，筒体结构效率不断降低。

2.4 结构高度和高宽比对结构性能的影响

框筒结构的高度和宽度要具有科学合理性，高宽比值过小，则会造成筒体空间效应比较小;反之过大，则难以把控结构侧移。结构高度也是如此。

(1)结构高宽比同总倾覆力矩的关系比较小，而局部弯矩在之中所占的比例较小。(2)随着结构高宽比的增加，结构总侧移角和层间侧移角不断增大。与此同时，筒体效应得以充分发挥，剪力滞后效应不断减弱。(3)结构高度不断增加，整体框筒的用钢量不断增加，用钢量呈非线性增长趋势。

3 总结

综上所述，建筑物中的大型支撑框筒结构的设计参数需要注意以下问题:(1)在框筒结构的主构件刚度比方面，角柱，中柱，内柱，斜撑截面的尺寸大小等参数需要以最开始的设计为依据。在整个框筒结构中，角柱的功能主要是传递斜撑荷载，剪力滞后现象存在整个结构工作的始终，由此可知角柱刚度必须要强于中柱刚度。斜撑刚度应该在角柱刚度和中柱刚度之间，随着结构刚度的增大，剪力滞后效应逐渐减少。(2)斜撑角度应该在30°至60°之间。斜撑角度对层间侧移的影响力偏大，对剪力滞后也有一定的影响。随着斜撑角度不断变小，层间侧移也随之变小，同时剪力滞后效应也不断减弱。在这种情况下，竖向力传递效率也大大降低，而外框架内力不断增大。(3)在矩形平面长宽比方面，比例保持在1∶1最佳，不能超过2∶1。这是由于如果长宽比过大，框筒结构的性能就会受到影响，框筒结构的剪力滞后效应也会随之增大。(4)高层建筑物的大型支撑框筒结构的高宽比最佳值应在3至7之间。若高宽比值过大，就会造成用钢量变大，无法控制结构侧移;如果结构高宽比过小，就会增加结构剪力滞后效应。

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