筒体结构另一类型——纯框筒体系优越性初探

发表时间:2016-01-28 16:57


广州新浦京游戏建筑结构设计事务所 张元坤


《高规》在“筒体结构设计”一章中,论述的有框架—核心筒结构和筒中筒结构两种类型,两者都有“内筒存在”,只是后者对内筒的要求比前者低些而已。当前国内的高层及超高层建筑,多数采用框架—核心筒结构体系,少量采用筒中筒结构体系,究其原因,很大程度上受《高规》明文规定的引导、暗示有关,以为筒体结构唯有上述两种结构体系类型,殊不知还有一种“纯框筒结构”存在,它在结构设计上不必受过多的计算指标限制,在建筑使用上更具灵活性,国外就有以此类型的筒体工程结构实例。

纯框筒结构即由外框筒和内框架构成,外框筒是主要甚至是唯一提供侧向刚度的构件,内框架只承受竖向荷载。由于外框筒位于建筑物的最外侧,抵抗水平作用力的力臂最大,故特别有利于结构的抗风抗震;外框筒的侧向刚度大,承受绝大部分的楼层剪力和倾覆力矩,材料的受力性能得到充分发挥,投入较多的结构材料,不仅必要而且值得。内框架柱只承受竖向荷载,可以不考虑其侧向刚度贡献或只需要很小的侧向刚度,其轴压比可按重力荷载代表值作用下的轴力来计算,其限值要比考虑地震作用组合的轴力计算的要大,且不受承担最小剪力比例的限制,故其截面相对较小,建筑平面内的竖向交通不必设内筒,电梯井道也不一定需由结构墙体组成,要设的话(比如为方便固定电梯轨道)其墙厚也较小,避免常规的电梯门口太深厚的弊端。

纯框筒结构由于不设内筒,其结构高宽比只计结构的外边缘尺寸,不受内筒高宽比的限制,结构外形宏观指标单一,更易确定其体型合理与否。

设计中由于注重外框筒的侧向刚度贡献,足够刚强的侧向刚度能满足结构侧向位移的要求,故纯框筒结构不需设加强层,尤其不需设伸臂桁架之类的加强层(事实上,设了伸臂桁架的加强层也不可能增强结构的侧向刚度),不设加强层的纯框筒结构,竖向刚度均匀变化,不产生竖向刚度突变,也就不出现结构薄弱层,在强震作用下,应力不会在某楼层段集中而易造成损坏或破坏,这就是纯框筒结构较之设了加强层的框架—核心筒或筒中筒结构更有利于抗震的根本原因。

为了使外框筒具有足够的侧向刚度,外框筒除采用常规的密柱—高裙梁外观外还可以由斜交网格或分叉形网络构成,后者不仅比前者具有更刚强的侧向刚度,而且为丰富建筑立面造型创造了条件。即使采用常规的密柱—高裙梁的外框筒,由于外立面多为幕墙,幕墙的划分形式仍可多样化,不受柱距的限制;另一方面,由于纯框筒结构的平面尺寸较大,有效使用面积部位的进深也很大,密柱—高裙梁的外框并不影响室内空间的通透性。

框筒结构由于不设内筒,其竖向交通位置可不受“居中布置的限制”,也不必上下贯通,根据避难层的设置可变换位置,为平面灵活布置提供可能性和方便。

有文章阐述“强外筒结构体系”在结构抗震受力上具有一定的优越性,并可取得较经济的结构指标,但其叙述的前提仍然是框架—核心筒及筒中筒结构体系,由于有核心筒(内筒)存在,无法从根本上抛开外框架(外框筒)与内筒的受力比例和变形差异;对于超高层建筑,仍需设伸臂桁架或环形桁架的加强层,则避免不了竖向刚度的突变,因此“强外筒结构体系”较之“纯框筒结构体系”,仍然存在对结构抗震不理因素,虽然它比“不强”外筒结构要好些。

从抗震结构需有多道要求出发,纯框筒结构也有多道防线,即外框筒梁→外框筒柱→内框架(两向均为多跨框架),与有内筒的筒体结构的多道防线内筒连梁→内筒壁→外框架不同,其多道防线的顺序似乎更合理,更能保证整体结构的安全。

外框筒结构即使采用密柱—高裙梁的常规结构布置,可以利用剪力滞后效应而将中部柱距拉大,以满足首层大堂入口处开阔的使用要求;有的可将中部柱距在底部转换,即转换层之上仍为密柱布置,转换层之下为疏柱布置,以提供大尺寸的大堂入口。

希翼建筑师和结构工程师设计出体现诸多优越性的纯框筒结构的建筑。



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