筒體結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下有哪些受力特點(diǎn)？

在側(cè)向力作用下，框筒結(jié)構(gòu)的受力既相似于薄壁箱形結(jié)構(gòu)，又有其自身的特點(diǎn)。從材料力學(xué)可知，當(dāng)側(cè)向力作用于箱形結(jié)構(gòu)時，箱形結(jié)構(gòu)截面內(nèi)的正應(yīng)力均呈線性分布，其應(yīng)力圖形在翼緣方向為矩形，在腹板方向為－拉一壓兩個三角形；但當(dāng)側(cè)向力作用于框筒結(jié)構(gòu)時，框筒底部柱內(nèi)正應(yīng)力沿框筒水平截面的分布不是呈線性關(guān)系，而是呈曲線分布。如圖15-55所示。正應(yīng)力在角柱較大，在中部逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為剪力滯后效應(yīng)。這是由于翼緣框架中梁的剪切變形和梁、柱的彎曲變形所造成的。同時，在框筒結(jié)構(gòu)的頂部，角柱內(nèi)的正應(yīng)力反而小于翼緣框架中柱內(nèi)的正應(yīng)力，這一現(xiàn)象稱為負(fù)剪力滯后效應(yīng)。事實上，對于實腹的箱形截面，當(dāng)考慮板內(nèi)縱向剪切變形影響時，其橫截面內(nèi)的正應(yīng)力分布也有剪力滯后或負(fù)剪力滯后的現(xiàn)象出現(xiàn)。

由于剪力滯后效應(yīng)的影響，使得角柱內(nèi)的軸力加大。而遠(yuǎn)離角柱的柱子則由于剪力滯后效應(yīng)僅有較小的應(yīng)力，不能充分發(fā)揮材料的作用，也減小了結(jié)構(gòu)的空間整體抗側(cè)剛度。為了減少剪力滯后效應(yīng)的影響，在結(jié)構(gòu)布置時要采取一系列措施，如減小柱間距，加大窗裙梁的剛度，調(diào)整結(jié)構(gòu)平面使之接近于正方形，控制結(jié)構(gòu)的高寬比等。

在筒體結(jié)構(gòu)中，側(cè)向力所產(chǎn)生的剪力主要由其腹板部分承擔(dān)。對于筒中筒結(jié)構(gòu)，則主要由外筒的腹板框架和內(nèi)筒的腹板部分承擔(dān)。外力所產(chǎn)生的總剪力在內(nèi)外筒之間的分配與內(nèi)外筒之間的抗側(cè)剛度比有關(guān)。且在不同的高度，側(cè)向力在內(nèi)外筒之間的分配比例是不同的。一般來說，在結(jié)構(gòu)底部，內(nèi)筒承擔(dān)了大部分剪力，外筒承擔(dān)的剪力很小，例如在深圳國貿(mào)中心大廈的底層，外筒承擔(dān)的剪力占外荷載總剪力的27％，內(nèi)簡承擔(dān)的剪力占總剪力的73％。

側(cè)向力所產(chǎn)生的彎矩則由內(nèi)外筒共同承擔(dān)。由于外筒柱離建筑平面形心較遠(yuǎn)，故外筒柱內(nèi)的軸力所形成的抗傾覆彎矩極大。在外筒中，翼線框架又占了其中的主要部分，角柱也發(fā)揮了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及內(nèi)筒腹板墻肢的局部彎曲所產(chǎn)生的彎矩極小。例如在深圳國貿(mào)中心大廈的底層，為平衡側(cè)向力所產(chǎn)生的彎矩，外框筒柱內(nèi)軸力所形成的彎矩占50.4％，內(nèi)筒墻肢軸力所形成的彎矩占4O.3％，而外框筒柱和內(nèi)筒墻肢的局部彎曲所產(chǎn)生的彎矩僅占2.7％和6.6％。

由以上的分析可以看出，在框筒結(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)中，盡管受到剪力滯后效應(yīng)的影響，翼緣框架柱內(nèi)的應(yīng)力比材料力學(xué)結(jié)果要小，但翼緣框架對結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向力仍有十分重要的作用，這說明結(jié)構(gòu)仍有十分強(qiáng)的空間整體工作性能，從而達(dá)到節(jié)省材料，降低造價的目的。這就是框筒結(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于高層建筑的主要原因。

框筒結(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的側(cè)向位移曲線呈彎剪型。這是因為在側(cè)向力作用下，腹板框架將發(fā)生剪切型的側(cè)向位移變形曲線，而翼線框架一側(cè)受拉、一側(cè)受壓的受力狀態(tài)則將形成彎曲型的變形曲線，內(nèi)筒也將發(fā)生彎曲型的變形曲線，共同工作的結(jié)果將使整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移曲線是彎剪型。

在高層建筑中，通常每隔數(shù)層就有一個設(shè)備層，布置水箱、空調(diào)機(jī)房、電梯機(jī)房或安置一些其他設(shè)備。這些設(shè)備層在立面上一般沒有或很少有布置門窗洞口的要求，因此，可以利用該設(shè)備層的高度，布置一些強(qiáng)度和剛度都很大的水平構(gòu)件（桁架或現(xiàn)澆鋼筋混凝土大梁），即形成水平加強(qiáng)層或稱為剛性層的作用，這些水平構(gòu)件既連接建筑物四周的柱子，又將核心筒和外柱連接起來，可約束周邊框架和核心筒的變形，減少結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移量，并使各豎向構(gòu)件的變形趨于均勻，減少樓蓋結(jié)構(gòu)的翹曲。這些大梁或大型桁架如與布置在建筑物四周的大型柱子或鋼筋混凝土井筒整體連接，便形成具有強(qiáng)大抗側(cè)剛度的巨型框架結(jié)構(gòu)。這種巨型框架結(jié)構(gòu)可以作為獨(dú)立的承重結(jié)構(gòu)，也可作為筒體結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)構(gòu)件。