超高层建筑筒中筒结构体系之探讨

■徐志斌，李佳佳，段亚弟 ■漯河职业技术学院，河南 漯河 462000

1 引言

随着城市的不断发展与工程技术的不断突破，高层建筑与超高层建筑不断建立，这也是依赖于计算技术、力学分析方法和结构设计的发展与进步。对于超高层建筑而言，其结构体系需要能够具有较强的抗外部力能力，因此在选择采用哪一种结构体系时，必然会将此作为重点来考量。在这里，我们将对筒中筒结构体系进行探讨。

2 超高层建筑的筒中筒结构体系

受到地震、风荷载等水平力结构安全控制能力要求的影响，对于超高层建筑来说，它需要的是能够具有极强的承载能力、优良的抗震性能、现实施工便宜等优点的结构体系。超高层建筑发展到现在，其所主要采用的结构体系为框架与简体结构，筒中筒结构，矩形框架结构和束简结构体系。其中，以目前的情况来说，筒中筒结构因其自身的优势而被采用得最多。

2.1 筒中筒结构体系的特征

筒中筒结构体系有内筒和外筒两层筒体，其中外筒有钢框筒、析架筒和网格筒三种，而外筒有析架筒和钢筋混凝土墙筒两种。假如是建筑比较高的情况，可以通过在内外筒中间设置伸臂析架来达到减少建筑侧移的目的。如果是在水平荷载作用下，通常内筒是以弯曲为主，而外筒以剪切形为主，内筒与外筒之间则是以楼板和外伸臂析架互相协助。假如外筒的刚度达到了一定的值，内筒的大小和刚度可以相应降低要求。其实，筒中筒结构体系对于外伸臂析架的要求并不高，很多时候不设置外伸臂析架影响也不大。

实腹筒、桁架筒和及框筒是筒中筒简体结构的三种基本形式，通常是由这三种简体结构中一种或者是多种来形成的筒中筒结构体系的抵抗力强弱程度。筒中筒结构具有抵抗较大水平作用力的有效、优质的优点的结构体系。超高层建筑对建筑结构本身便有与普通建筑不同的特别要求，而筒中筒结构体系恰好能够满足得了超高层建筑的需要。

2.2 筒中筒结构的优点与缺点分析

由内、外筒组合而成的筒中筒结构，其内筒通常是剪力墙薄墙体壁筒，而外筒主要是密柱一起组合而成主要的框筒。这样的结构形式意味着外柱的密度比较大，整体性能优良，相当于是竖向多孔的箱型梁壁，无论是抗风还是抗震性能都是比较好的。因此，我国不少超高层建筑物都是采用的筒中筒结构体系。只是，也正是因为筒中筒结构的内筒、外筒组合而成的结构形式，在内筒外筒之间存在着一定的空间，这个空间导致通风效果比较显著，以致于防火能力相对比较弱。一旦遇到了比较大的火情，风力一起作用，想要将火势控制住就比较艰难。可以说，筒中筒结构最明显的缺点就是防火能力比较弱。

2.3 超高层建筑筒中筒结构体系布置要点

(1)密柱深梁会导致窗裙梁跨度高度减小，框筒想要减少缘框架中的弯曲程度和剪切面变形程度就需要做成密柱深梁，从而也减少柱中剪力滞后严重的情况。

(2)通常情况下，框筒平面以接近正方形或者圆形最为合适。以矩形平面结构来举例，对于矩形平面来说，长短边如果相差两倍以上，就会造成长边剪力滞后问题严重，而利用率大大降低。

(3)如果说超高层建筑的结构是高度比长度差很多的情况，那么在设计的时候采用筒中筒结构体系就不是很合适了。这主要是由于这种情况下的超高层建筑结构的总高度与总宽度之间相差了3倍以上。

(4)如果超高层建筑的结构体系中内筒面积不能够太小，通常以外筒边长是内筒边长的2倍到3倍比较合适。此外，内筒与外筒之间不需要再设柱，对于内筒来说，高是宽的12倍到15倍是比较合适的，倍数过大也不好。

(5)对于采用了筒中筒结构体系的超高层建筑而言，它的竖向实际荷载是由整个楼盖承受的，同时整个楼盖还因为水平荷载而产生了刚性隔板的效果，而内外筒与楼盖也形成了互相协助工作的情况。同时，整体楼盖还能够维持好整个建筑筒体的平面二维形状，能够保证得了在竖向筒体不变形的情况下进行施工。对于超高层建筑来说，楼盖是十分重要的一个部分，因此楼盖在设计建造的时候并不适合过高，尽量把楼盖与柱子之间的弯曲度传递缩小，内外筒间距以10米至12米最为合适。

3 模型计算

为使超高层建筑在设计结构时能够对筒中筒结构体系更容易做出量化处理，在这里拿500米与600米建筑作为例子来进行简化的模型计算。在模型计算之前，首先设定建筑所采用的结构外筒是框架性支撑筒，与此同时，用方形钢管和大型支撑柱配合混凝土梁。相对的，内筒选择的是混凝土剪力墙以及剪力交接钢柱作为主体。因为内筒与外筒的设定让建筑侧刚度荷载的剪力已经得到了减少，因而在建筑外框筒用伸臂析架作为辅助，同时设计环形析架是行得通的。以上的设定，对于楼板系统的加强性来说是契合的。

(1)风荷载。在这里，将100a一遇重现期作为基础，设定基本的风压是0.6KN/m2，周围环境地面粗糙度属于C类，其余的风压高度变化系数、风振系数以及体型系数都以相关规范作为参考标准。这之外，建筑的抗震设防烈度设定为7度，设定抗震设防是乙类，多遇水平地震影响系数最大值为0.08。设定设计地震分组是第一组，周围场地类别是第IV类，塔楼结构阻尼比抗震取0.04、抗风取0.02，特征周期为0.9S，周期折减系数则为0.95。

(2)500米与600米建筑的模型计算。设定500米建筑的层数为118层，其中每一层的高度约为4.2米，则建筑物的总结构高度是495.6米。建筑的结构标准层为50mX50m。内筒的设计尺寸为27mX27m，外筒高宽比为10∶2;内筒高宽比20∶30。在塔楼外框筒的第24 至26，49至50，74 至75，99至100，120至121 层均设置五道伸臂析架和环形析架作为辅助，外筒标准层立面开洞概率大约是0.48。

500/118≌4.2米

4.2*118=495.6 米

表1 500m超高层建筑构件信息

设定600米高层建筑层数为145层，其中每层的高度约为4.1m，则建筑物的总结构高度是594.5m。底层的平面尺寸是65mX65m，本建筑通过逐层缩进的方式，到第25层时平面尺寸变成50mX50m;相对的内筒平面尺寸为25mX25m，内筒高宽比为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 层，再设置七道伸臂析架和环形析架，25层平面以上的开洞概率大约为0.37。600/145≌4.1米 4.1*145=594.5米

表2 600m超高层构件信息

(3)计算结果。通过500米与600米建筑的模型计算结果分析，我们可以得知，在进行高层建筑的筒中筒结构设计时，主要需要考虑的是剪重比、周期比、层问位移角、等一系列的参数比。为此可以通过对建筑的平面尺寸以及承重构件的布置来使上述参数比能够达到建筑的要求。同时，我们也可以通过模型计算结果知道，筒中筒结构体系对于超高层建筑物结构的各项指标要求是完全可以满足的。

4 结束语

城市不断在发展，超高层建筑物也因为需求而不断建立，而对于技术层面的要求也跟着越来越高。因为具有良好的抗风与抗震性能，筒中筒结构体系在超高层建筑物中得到了广泛的使用，而采用筒中筒结构体系还能够缩短施工周期和提高建筑物的质量。在未来，城市的现代化与数字化将会发展得越来越深、越来越广，筒中筒结构势必会成为超高层建筑结构体系的主流选择。

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