超高層建筑筒中筒結構體系之探討

■徐志斌，李佳佳，段亞弟 ■漯河職業技術學院，河南 漯河 462000

1 引言

隨著城市的不斷發展與工程技術的不斷突破，高層建筑與超高層建筑不斷建立，這也是依賴于計算技術、力學分析方法和結構設計的發展與進步。對于超高層建筑而言，其結構體系需要能夠具有較強的抗外部力能力，因此在選擇采用哪一種結構體系時，必然會將此作為重點來考量。在這里，我們將對筒中筒結構體系進行探討。

2 超高層建筑的筒中筒結構體系

受到地震、風荷載等水平力結構安全控制能力要求的影響，對于超高層建筑來說，它需要的是能夠具有極強的承載能力、優良的抗震性能、現實施工便宜等優點的結構體系。超高層建筑發展到現在，其所主要采用的結構體系為框架與簡體結構，筒中筒結構，矩形框架結構和束簡結構體系。其中，以目前的情況來說，筒中筒結構因其自身的優勢而被采用得最多。

2.1 筒中筒結構體系的特征

筒中筒結構體系有內筒和外筒兩層筒體，其中外筒有鋼框筒、析架筒和網格筒三種，而外筒有析架筒和鋼筋混凝土墻筒兩種。假如是建筑比較高的情況，可以通過在內外筒中間設置伸臂析架來達到減少建筑側移的目的。如果是在水平荷載作用下，通常內筒是以彎曲為主，而外筒以剪切形為主，內筒與外筒之間則是以樓板和外伸臂析架互相協助。假如外筒的剛度達到了一定的值，內筒的大小和剛度可以相應降低要求。其實，筒中筒結構體系對于外伸臂析架的要求并不高，很多時候不設置外伸臂析架影響也不大。

實腹筒、桁架筒和及框筒是筒中筒簡體結構的三種基本形式，通常是由這三種簡體結構中一種或者是多種來形成的筒中筒結構體系的抵抗力強弱程度。筒中筒結構具有抵抗較大水平作用力的有效、優質的優點的結構體系。超高層建筑對建筑結構本身便有與普通建筑不同的特別要求，而筒中筒結構體系恰好能夠滿足得了超高層建筑的需要。

2.2 筒中筒結構的優點與缺點分析

由內、外筒組合而成的筒中筒結構，其內筒通常是剪力墻薄墻體壁筒，而外筒主要是密柱一起組合而成主要的框筒。這樣的結構形式意味著外柱的密度比較大，整體性能優良，相當于是豎向多孔的箱型梁壁，無論是抗風還是抗震性能都是比較好的。因此，我國不少超高層建筑物都是采用的筒中筒結構體系。只是，也正是因為筒中筒結構的內筒、外筒組合而成的結構形式，在內筒外筒之間存在著一定的空間，這個空間導致通風效果比較顯著，以致于防火能力相對比較弱。一旦遇到了比較大的火情，風力一起作用，想要將火勢控制住就比較艱難?？梢哉f，筒中筒結構最明顯的缺點就是防火能力比較弱。

2.3 超高層建筑筒中筒結構體系布置要點

(1)密柱深梁會導致窗裙梁跨度高度減小，框筒想要減少緣框架中的彎曲程度和剪切面變形程度就需要做成密柱深梁，從而也減少柱中剪力滯后嚴重的情況。

(2)通常情況下，框筒平面以接近正方形或者圓形最為合適。以矩形平面結構來舉例，對于矩形平面來說，長短邊如果相差兩倍以上，就會造成長邊剪力滯后問題嚴重，而利用率大大降低。

(3)如果說超高層建筑的結構是高度比長度差很多的情況，那么在設計的時候采用筒中筒結構體系就不是很合適了。這主要是由于這種情況下的超高層建筑結構的總高度與總寬度之間相差了3倍以上。

(4)如果超高層建筑的結構體系中內筒面積不能夠太小，通常以外筒邊長是內筒邊長的2倍到3倍比較合適。此外，內筒與外筒之間不需要再設柱，對于內筒來說，高是寬的12倍到15倍是比較合適的，倍數過大也不好。

(5)對于采用了筒中筒結構體系的超高層建筑而言，它的豎向實際荷載是由整個樓蓋承受的，同時整個樓蓋還因為水平荷載而產生了剛性隔板的效果，而內外筒與樓蓋也形成了互相協助工作的情況。同時，整體樓蓋還能夠維持好整個建筑筒體的平面二維形狀，能夠保證得了在豎向筒體不變形的情況下進行施工。對于超高層建筑來說，樓蓋是十分重要的一個部分，因此樓蓋在設計建造的時候并不適合過高，盡量把樓蓋與柱子之間的彎曲度傳遞縮小，內外筒間距以10米至12米最為合適。

3 模型計算

為使超高層建筑在設計結構時能夠對筒中筒結構體系更容易做出量化處理，在這里拿500米與600米建筑作為例子來進行簡化的模型計算。在模型計算之前，首先設定建筑所采用的結構外筒是框架性支撐筒，與此同時，用方形鋼管和大型支撐柱配合混凝土梁。相對的，內筒選擇的是混凝土剪力墻以及剪力交接鋼柱作為主體。因為內筒與外筒的設定讓建筑側剛度荷載的剪力已經得到了減少，因而在建筑外框筒用伸臂析架作為輔助，同時設計環形析架是行得通的。以上的設定，對于樓板系統的加強性來說是契合的。

(1)風荷載。在這里，將100a一遇重現期作為基礎，設定基本的風壓是0.6KN/m2，周圍環境地面粗糙度屬于C類，其余的風壓高度變化系數、風振系數以及體型系數都以相關規范作為參考標準。這之外，建筑的抗震設防烈度設定為7度，設定抗震設防是乙類，多遇水平地震影響系數最大值為0.08。設定設計地震分組是第一組，周圍場地類別是第IV類，塔樓結構阻尼比抗震取0.04、抗風取0.02，特征周期為0.9S，周期折減系數則為0.95。

(2)500米與600米建筑的模型計算。設定500米建筑的層數為118層，其中每一層的高度約為4.2米，則建筑物的總結構高度是495.6米。建筑的結構標準層為50mX50m。內筒的設計尺寸為27mX27m，外筒高寬比為10∶2;內筒高寬比20∶30。在塔樓外框筒的第24 至26，49至50，74 至75，99至100，120至121 層均設置五道伸臂析架和環形析架作為輔助，外筒標準層立面開洞概率大約是0.48。

500/118≌4.2米

4.2*118=495.6 米

表1 500m超高層建筑構件信息

設定600米高層建筑層數為145層，其中每層的高度約為4.1m，則建筑物的總結構高度是594.5m。底層的平面尺寸是65mX65m，本建筑通過逐層縮進的方式，到第25層時平面尺寸變成50mX50m;相對的內筒平面尺寸為25mX25m，內筒高寬比為22∶4。在第12至13，25至26，45至46，65至66，85 至86，105至106，125 至126，145 至146 層，再設置七道伸臂析架和環形析架，25層平面以上的開洞概率大約為0.37。600/145≌4.1米 4.1*145=594.5米

表2 600m超高層構件信息

(3)計算結果。通過500米與600米建筑的模型計算結果分析，我們可以得知，在進行高層建筑的筒中筒結構設計時，主要需要考慮的是剪重比、周期比、層問位移角、等一系列的參數比。為此可以通過對建筑的平面尺寸以及承重構件的布置來使上述參數比能夠達到建筑的要求。同時，我們也可以通過模型計算結果知道，筒中筒結構體系對于超高層建筑物結構的各項指標要求是完全可以滿足的。

4 結束語

城市不斷在發展，超高層建筑物也因為需求而不斷建立，而對于技術層面的要求也跟著越來越高。因為具有良好的抗風與抗震性能，筒中筒結構體系在超高層建筑物中得到了廣泛的使用，而采用筒中筒結構體系還能夠縮短施工周期和提高建筑物的質量。在未來，城市的現代化與數字化將會發展得越來越深、越來越廣，筒中筒結構勢必會成為超高層建筑結構體系的主流選擇。

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