筒体结构概念设计
当高层建筑结构层数多、高度大时,由平面抗侧力结构所构成的框架、剪力墙和框架一剪力墙结构已不能满足建筑和结构的要求,开始采用具有双向抗侧移能力的刚度和承载力更大的筒体结构。
简体结构的基本特征是水平力主要由一个或多个空间受力的竖向筒体承受。筒体可以由剪力墙组成,也可以由密柱框筒构成。筒体结构可以分为框筒、筒中筒、桁架筒和束筒等多种形式,是超高层建筑结构的首选结构形式,且多采用混合结构形式。
8.1.1 筒体结构的受力性能及变形特点
研究表明,简体结构的空间受力性能与其高度或高宽比等诸多因素有关。
8.1.1.1 实腹筒结构
作为竖向交通运输和服务设施的通道通常选用实腹筒结构,实腹筒结构还是结构总体系中抗侧力的主要构件。在实际工程中,实腹筒常常需要开一些孔洞或者门洞(如电梯井的门等),当简体的孔洞面积小于30%时,对截面的受力影响可以忽略不计;当孔洞面积大于5026~60%时,特别是将筒壁作为外墙时,它的结构受力性能更接近于框筒,孔洞对截面受力的影响不可忽略。
(1)实腹筒的受力特点
如忽略孔洞的影响,则实腹简可看作封闭箱形截面空间结构,如同一个竖在地面E的悬臂梁。各层楼面结构的支撑作用使整个结构呈现出很强的整体工作性能。理论分析及试验研究表明,实腹筒在水平荷载作用下更接近于薄壁杆件,产生整体弯曲、扭转。实腹筒发生整体弯曲时,如图8-1(b)所示,整个截面变形基本符合平面假定,腹板正应力为斜直线分布,翼缘正应力大小相等,为水平线。
此外,设剪力墙的宽度为B,则内力臂长度为2B/3,而简体的内力臂长度接近于B,因此实腹筒比剪力墙具有更高的抗弯承载力。剪力墙既承担弯矩又承担剪力;而筒体的弯矩由翼缘承担,剪力主要由腹板承担。
(2)实腹筒的变形特点
当结构高宽比小于1时,结构在水平荷载作用下的侧移变形以剪切型为主;当高宽比大于4时,结构在水平荷载作用下的侧移变形为弯曲型;当高宽比为1~4时,结构在水平荷载作用下的侧移变形为弯剪型。简体结构高宽比一般大于4,因此其在水平荷载作用下的侧移变形为弯曲型,如图8-2所示。
(3)实腹筒的破坏机理
试验表明,在地震作用下实腹筒可能发生的破坏形式有:①斜向受拉破坏;②斜向受压破坏;③薄壁墙截面压屈失稳或受压主筋压屈;④施工缝截面发生剪切滑移破坏;⑤墙体底部受弯钢筋屈服破坏;⑥连梁弯曲剪切破坏等。
前四种为脆性破坏;后两种为较理想的破坏形式,即当塑性铰发生在连续梁端头和墙体根部时,结构能够以比较稳定的形式耗散地震能。因而,简体的弯曲强度和弯曲破坏部位将直接影响简体的破坏形式。