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【结构人原创】框架核心筒结构及结构设计漫谈（七）

发布于：2017-01-18 14:57:18 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

作者：奔跑来源：知乎

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这种结构是我比较喜欢的一种结构，受力清晰明了，结构布置匀称合理，作图易做。可以通俗的说啊，框架分布在四周，结构中间通过一定数量的剪力墙维合成一个筒体，我们管这样的结构叫框架-核心筒结构，其实我这样解释这个概念是非常的不严密的，这里咱们不深究，以下简称框筒结构，其实框筒结构也是一种框剪结构，但是又不同于框剪结构，普通的框剪结构墙肢分散，常常分散在，结构的四周，分散在四周是有道理的，因为在结构的四周布置剪力墙，结构整体的抗扭刚度是有非常大的提升的，大伙如果结构设计做的多了，常常会有这样的经验，当一个结构的周期比不满足要求或者是结构的第一、第二振型为扭住振型的话，这个时候，常常是结构的整体抗扭能力偏弱，这个时候怎么调节是最快捷的呢，有很多方法，但是最有效的，就是增加结构四周的竖向构件的面积（可以理解为结构的外墙），这是最有效的，这里是灵活运用啊，比如，常见剪力墙结构中，扭转刚度偏弱，这时候，你可以增加结构的外墙或者是满足建筑要求的情况下，减小外墙开洞，这些常常都是最有效的，当然了，结构受力都是整体受力的，不可能说一下子就调整完成，但是大方向肯定是这样的，甚至是有一些“奇技淫巧”，这种方法是我比较不赞成的，比如某个剪力墙结构的抗扭能力差，结构外墙开洞形成的连梁截面比较小，连梁的跨高比比较大，一般大于5，这时候，有的人就把结构外墙（结构最外侧的墙体简称外墙）开洞按照剪力墙开洞建模，这种情况结构整体的抗扭能力通常算下来要比按照框架梁建立模型要好很多，这是因为程序对于剪力墙开洞是按照壳单元去模拟的，而框架梁模型是按照杆单元去模拟的，但是实际上两者真实的差别不大，由于模型假定的不同造成了两种按照两种模型算下来的结构整体的抗扭能力差别很大，这种方法不是说不行，如果真要这样做的话，那么你的结构设计计算和结构构造配筋也一样要按照两种模型假定去配筋，满足计算和构造要求，也是可以的。

框筒结构的墙肢集中，并且墙肢组合后的筒体，空间的整体惯性矩极大，抗侧力的能力极大的提高，这也给我们一个经验，就是同样数量，同样截面的墙肢，通过合理的组合布置，完全可以设计出较为合理的结构体系，这就好像我们在钢结构当中常见的一种构件，叫蜂窝梁，实际上蜂窝梁就是把一个完成的梁，中间通过“挖洞”，然后再重新焊接组合，把材料充分的利用。

比如说，在其他有剪力墙的结构体系当中，我们在做方案的时候，完全可以利用交通核、楼梯间的墙体组合一个简单的小筒体，往往会产生非常好的效果，相反，如果把墙肢布置的分散，一字墙等，除了自身会产生自身的稳定问题，同时墙体的整体受力性能也没有充分利用，这里我推荐《结构概念设计》林同炎，这里面有详细的计算过程，大伙可以有时间看一下，这本书讲的很浅显易懂，非常适合加深结构的概念设计理念。

关于框筒结构的设计难点，框筒结构的设计难点，基本就一条，结构的抗扭的问题，体现在结构的属性上，就是周期比，也即是结构的抗侧刚度与抗扭刚度的相对关系问题，从材料力学的知识当中，大家都知道，结构的抗扭，最理想的就是在结构的四周布置足够的材料，但是框筒结构，正好相反，中间混凝土结构刚度极大，四周的框架柱刚度相对又小，所以，框筒结构要做好，就是通过合理的结构布置，调整结构的周期比，以满足规范的要求。可以这样讲，很对框筒结构，基本上建筑平面定下来之后，留给结构兄弟调整的空间往往不大了，所以在初步设计的时候，一定要控制好以下几个关键的地方，首先就是核心筒的整体尺寸，也即是核心筒的长和宽，这里有个经验大家要注意，就是核心筒的跨度大家要注意，一般在8米左右的时候，你要注意，当然了，这个有时候不是结构能确定的，但是这里会有个问题，就是高规上，要求，墙肢的长度要控制在八米以内，如果你的核心筒宽度尺寸恰好就是8米多，而且这时候，你的结构抗扭刚度还差的话，那么你在这个核心筒8米宽的墙上开洞的话，那么你的结构抗扭很难调整过去，所以，即使八米或者八米多的话，我们尽量也不去削弱这道墙体，如果你的核心筒宽度很大的话，那没问题，你可以开洞，但是注意调整结构要满足规范要求，剩下的规范上在这里都有详细的要求，我这里不讲，这点很重要，因为整个结构的抗侧水平就体现在这里，这里也有补充，就是有的时候，根据建筑的平面可以选择双筒和单筒，这些东西往往结构这边控制不了；其次，如果结构在核心筒的外侧有只有单排柱子，也即是结构四周是单排柱子，中间是核心筒，这个是我们传统意义上的框架核心筒结构，这时候要控制好核心筒与外侧柱子之间的距离，这个规范上也有要求，尽量控制不要太大，否则的话框筒结构的柱子受力和柱子与核心筒之间框架梁的受力都非常的不利，如果这个跨度继续增大的话，可能考虑设置两排柱子。

上面的问题也没谈完，就是框筒结构的受扭问题，这个在调整起来是非常的困难的，我曾经的一个项目，因为建设方比较强硬，导致了我们的结构平面非常的不合理，而且结构的调整余地非常的小，换句话说，就是结构想怎么调整，基本上甲方都是不同意的，很可笑的是他给我的理由是，他们以前做过一个类似的项目，基本人家就做下来了，这里我不做评论，因为那个项目还有很多难点，比如，设备层放在了结构中上部的位置，大家知道，通常设备层都是放在结构的地下位置的，因为设备层通常是有夹层或者是层高异常，我们的结构的设备层是2.1米，正好卡在2.2米以下，因为建筑规范是要求2.2米以上按照一层去算的，整个结构的平均层高是在4.5米左右，设备层在2.1左右，很显然，设备层的层刚度是相邻层的层刚度要差很多的，这样就会在设备层的下层产生薄弱层，果不其然，计算下来确实结构的薄弱层，同时结构还有跃层柱（同时跨越两层及以上的框架柱），跃层柱也是按照性能话设计去设计的，做到中震不屈服，而且有跃层柱的地方，结构在这些地方往往会产生局部振动，也即是局振，关于局振的知识，我这里不展开讲，但是大伙要知道局振其实也是结构振动的一部分，也是振型分解当中的一个振型，有兴趣的同学可以到网上找找这方面的资料，很多的。所以，整个结构应该来说是非常不合理，但是，后来，结构调整只能通过控制连梁的截面高度去控制结构整体的指标，后来，我记得有的连梁做到2.5米高，跨高比是零点几，为了满足规范要求，还要设置连梁内部的斜向钢筋支撑，所以做下来这个结构非常的差。

规范上还要求，尽量要避免连梁承受过大的荷载或者说是集中荷载吧，这个在框筒结构中表现的也非常突出，因为外框架与内部核心筒之间的连接就是靠框架梁，除了框架梁，那就是次梁，而次梁也不能保证所有的支座都要落到核心筒的墙体上，所以，就会有的次梁落到连梁上，我的建议是，和规范是一致的，尽量不要把次梁的支座设置在连梁上，我们分析分析连梁的受力形式，大家知道连梁的受力形式是怎么推倒而来的呢，在传统的剪力墙结构的简化计算方法中，连梁是协调两侧联肢墙变形的作用，而两侧的联肢墙的变形的主要原因就是外部水平荷载或者说地震作用，这也是连梁变形的主要成因，实际上连梁分担的竖向荷载很小，这很好理解，连梁跨度很小，截面相对跨度而要有显得很高，而且正因为跨度小，所以分摊的竖向荷载也很小，那么传统的简化计算方法原理是什么呢，就是弹力力学里面的变形协调原理，也即是以连梁中点位置处建立相容方程，这里不能展开了，因为公式太多了，我也记不住了，但是一定要知道这几部分变形来自哪里（两侧的墙肢弯曲、剪切变形，两侧墙肢的轴向变形，连梁的弯曲和剪切变形），以上的内容可以参考任何一本结构设计的教材，这既是连梁的受力原理，这里插一句，有人私信问我什么是剪切型变形，什么是弯曲型变形，我记得我写框架的时候，说框架结构是剪切型变形，然后，有人就发私信问我这个问题，我感觉很突兀啊，我以为大伙知道这个，就没有解释这个概念，这里我解释一下，所谓弯曲型或者剪切型，实际上就是结构整体以弯曲变形为主还是以剪切变形为主，比如，框架结构，就是剪切型变形，为什么呢，大家知道，框架结构的层数往往不是很高，每层的荷载也相对小一些，这就造成了框架柱的柱子轴力相对就很小，这是从竖向荷载的角度分析，此外，正因为框架结构的高度小，受到的水平荷载、地震作用也相对很小，这就造成了结构受到的整体弯矩要很小，而结构的整体弯矩一部分靠框架柱子的轴力去承担的，因为结构外侧的柱子的轴力乘以结构的长或者宽，就等于结构抵抗外部的整体弯矩的其中的一部分，另外一部分靠柱子自身去承担，从水平方向讲，柱子的轴力也相对不大，而结构的侧向变形，我们知道，主要来源于两部分，其中一部分是竖向构件的弯曲变形，一部分是竖向构件的剪切变形，而框架结构的弯曲变形来源就是靠柱子的轴力拉和压产生的，恰恰轴力相对来说小，所以，这部分变形就相对较小，所以最后框架结构呈现的就是以剪切变形为主的结构变形形式，这既是剪切型变形，但是这里大家要知道，并不是说框架结构的弯曲型变形没了，而是相对剪切变形要小，而剪力墙结构因为高度大，轴力大，整体受到的弯矩大，所以，就呈现了弯曲型变形，而框剪和框筒结构，真好位于两者之间，那么，人们弄出来这个概念到底又有什么意义呢，我们来看一下这两种变形：

大家看，剪切型变形最大的特征就是底部变形大，越往上变形越小，所以，框架结构也是遵循这样的原理，越是底部几层它的层间位移是最大的，当然了，这么说也有点偏差，这得你定义的层间位移到底是什么样的，PKPM和etabs里面我记得就是有差别的，这个咱们因为再说；而弯曲型变形恰恰和上述相反，越往上变化越大，大家在做项目的时候，没事的时候，可以看一下结构的整体计算的指标，里面就有这个图形，基本上和我画的是类似的，好了；那么框剪和框筒是不是就是综合两者的特点了呢，答案是，是的，框剪或者框筒结构大致上变化均匀，也即是每层的层位移变化基本相同。

有了上述的阐述，我们基本就搞清了这个概念的基本意义。
在回到连梁为什么不能有集中力作用，就是因为连梁的作用主要是在水平荷载来临的时候，起到耗能，协调变形的作用，而且结构设计是允许连梁在中大震下破坏的，如果你的连梁承受这个某个次梁的话，后果不堪设想。

框筒结构的细节设计部分：
框架部分：
框筒结构的框架部分主要是承担竖向荷载，是结构的第三道防线，参与结构的抗扭，所以，框架柱的截面不宜过小，而且框筒结构当中，往往柱距较大，常见的一般在8.4以上，我的建议是，柱截面不小于700*700，当然了，具体问题具体分析，这里没有绝对的，柱子截面做大对后期的配筋，筏板的冲切，都是非常有利，而且要保证我们的第三道防线的成立，这里不多说了，周圈的框架梁，我建议做到400*700以上，梁截面宽度最好不要小于400宽，高度不要小于600高，这样做的目的，有很多，一般框筒结构适用的结构高度尽量高一些，一般最好是不小于60米以上，梁截面做的宽和高，是有目的的，因为框筒结构一般都是大型的共建项目，而共建项目一般在立面都有一些建筑装饰的幕墙，和一些其他的装饰，往往需要在我们的周圈框架梁上打各种的埋件，如果埋件位置偏差，后期可能还要打化学锚栓，而且大型共建在顶层的位置都要考虑“蜘蛛人”擦窗机等等，对我们的梁的抗扭要求很高的，而且这些东西往往都是在结构设计的时候，一般都不是很确定，比如PKPM或者其他软件设计中，默认是把扭矩折减的，折减本身没有问题，因为梁有楼板的作用，扭矩可以折减，但是有的特殊位置的梁如果折减的话，就会导致一部分扭矩丢失，这点要注意，或者甲方容易更改的装饰方案，为了避免后期的加固改造，同时对提高周圈框架整体的性能也非常有利，限制个别节点的位移也很有利，所以，我建议周圈的框架梁做的稍微“强”一点，内部的次梁或者框架梁，可以按照正常设计，这个要说一下，关于框架梁和次梁的设计，这个梁截面的高度，我的建议是梁截面要用“足”，也即是偏于大胆一点的设计，我做过的框筒结构，我记得是10.9米跨度，我的梁截面做到600，接近次梁的上限了，当然了，这个也跟你梁分布有关系，共建项目如果有吊顶的话，可能结构做起来会很舒服一些，但是我们尽量给建筑室内增加净高，所以，梁截面的高度要尽量小一些，通常我一般梁截面都控制在650以内，如果做不下来的话，可以适当考虑增加梁的数量，这也就是结构上经常见的井字梁，密肋梁。

剪力墙部分：框架核心筒的剪力墙一般都在400厚以上，很少有低于这个数值的，因为本身做框筒结构一般楼都比较高，至少在60米以上，一般是在100~300米左右，这种体系都适合，当然了，越往高了做的话，可以把框架梁做成钢梁，框架柱做成型钢混凝土柱，剪力墙的设计部分注意一点，就是框筒结构的剪力墙它的底部加强区的边缘约束构件的长度取值要取墙肢长的1/4，而且结构楼板的四周都要有加密加强的一些细节要求，这些都要注意，实际上框筒结构的剪力墙配筋一般都是很大的；框筒结构结构可以做到很高，我们部门就做过240米左右，墙体做到1000左右，当然了，这个项目经过了完整的计算和超限审查，但是最终甲方放弃投资，没钱了，不说了。
结构设计大伙要有概念，概念这东西往往说出来都非常简单，几乎都是生活中的常见的物理现象，比如，我们坐地铁的时候，列车突然启动，我们的身体在晃动，这就是一个几乎接近完整的地震作用重现，当然了，他没有竖向地震作用，列车是地面激励，列车如果按照地震波的去加速的话，那就是一个地震加速度激励，我们的人体就是一个结构，有了激励，我们就可以计算变形了，有了变形，我们就会知道内力，有了内力，我们一般就会按照内力去设计配筋；大家都有这样的体会，我们用脚去踩易拉罐的时候，这就是一个完整的稳定问题，那么他是分支型稳定还是极值型稳定呢！

上述内容意在引导大家学习结构知识。
再说一个问题，为什么现在有限单元法（有限元分析的方法和经典结构力学的方法区别在哪里？ - 有限元分析（FEA））这么成熟了，还要学习书本上的简化算法？
大家知道，按理来说，现在的设计院，有了一些傻瓜式的建模软件，把参数按照总工的要求，一输入，一栋楼的配筋全部出来了，我听说有的单位还用这个软件直接出图，这个太恐怖，如果这就是结构设计的话，那我感觉真是对不起这门学科，我身边的人我就见过这样的，结构概念什么统统不管，只要是能算过去，就可以了，拿着配筋图，画个漂亮的图纸，既简单有快捷，个人产值哗哗的，领导会认为这样的人懂事，业务能力强，如果结构设计做到这种模式，那我也没啥可说的，人的乐趣我认为正是从不懂到懂，最后升华创新，多说无益。
实际上现在的有限单元法，相对来说，已经是非常的成熟，但是简化算法，仍然是不能丢掉的，原因就是简化算法可以估算整个结构受力，同时让我们了解结构的受力特点，建立结构概念，同时掌握结构整体的受力规律，有了这些规律，我们才能去判断有限元软件计算出来的结果，否则，就是盲人摸象，因为，假设有限元软件计算出来的结果全是完全正确的，我们也不可能通过一个有限元结果去了解这一类体系的受力特点，因为这仅仅是一个离散的结果，不具有一般的规律性的东西，而且，既然是人编写的东西，就会有出错的地方，当然了，有一些空间结构确实需要有限元软件的帮助，否则，人类很难计算，即便简化计算，误差也非常的大，但是我们可以定性的学习，最后总结一下，有限元软件是辅助我们做结构设计，校核我们的受力分析，相对精确的确定设计结果。

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