簡(jiǎn)中簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析方法綜述

【摘要】城市的不斷發(fā)展意味著超高層建筑的需求與過(guò)去相比有了明顯的增加，為了保障建筑的質(zhì)量，對(duì)于技術(shù)層面上的要求當(dāng)然也就比過(guò)去更高。筒中筒結(jié)構(gòu)因其自身優(yōu)良的性能，良好的抗風(fēng)性與抗震性，而被廣泛的應(yīng)用在超高層建筑結(jié)構(gòu)中。本文概述了筒中筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，隨后介紹了筒中筒結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析方法，最后指出筒中筒結(jié)構(gòu)分析還不夠透徹，仍需要更多的研究。

【關(guān)鍵詞】筒中筒結(jié)構(gòu)；剪力滯后；簡(jiǎn)化分析方法

1、引言

筒中筒結(jié)構(gòu)體系是超高層建筑結(jié)構(gòu)中常用的一種結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系是由外框筒和核心筒組成，其核心筒通常是鋼筋混凝土剪力墻和連梁組成的薄壁筒，而外筒主要是密柱和群梁組合而成的框筒。由于筒中筒結(jié)構(gòu)在超高層建筑中應(yīng)用非常廣泛，這種結(jié)構(gòu)的分析方法也得到了廣泛重視。本文將對(duì)筒中筒結(jié)構(gòu)的分析方法進(jìn)行探討。

2、筒中筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)

框筒可以看成是開(kāi)了口的實(shí)腹筒，但兩者的受力狀態(tài)和變形有很大差別。實(shí)腹筒在水平荷載下受彎時(shí)，由于腹板的豎向抗剪剛度極大，幾乎不使腹板產(chǎn)生豎向剪切變形，因而實(shí)腹筒受彎時(shí)各水平截面并不出現(xiàn)任何翹曲而保持平截面，而框筒裙梁雖然高跨比大，但豎向彎剪剛度仍然有限?？蛲苍诘挚箖A覆力矩時(shí)，水平截面的豎向應(yīng)變不再符合平截面假定，稱(chēng)為“剪力滯后效應(yīng)”即框筒的腹板框架和翼緣框架在角區(qū)附近的應(yīng)力大于實(shí)腹筒體，而在中間部分的應(yīng)力均小于實(shí)腹筒體。

3、筒中筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析方法

近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能有了明顯的提高，筒中筒結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析方法得到了較好的發(fā)展，與其他方法相比，具有良好的通用性和精確性，在筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析或設(shè)計(jì)驗(yàn)算有較高的參考價(jià)值。

3.1等效連續(xù)體法

文獻(xiàn)將外框筒等效為四角加強(qiáng)的等效實(shí)體筒，計(jì)及彎曲和剪切變形，內(nèi)筒考慮為1根彎剪桿件。由內(nèi)外筒在各樓層處水平位移相等的條件建立變形協(xié)調(diào)微分方程，同時(shí)利用邊界和協(xié)調(diào)條件求解水平位移的解析解，進(jìn)而計(jì)算出內(nèi)外筒的內(nèi)力。

文獻(xiàn)用分段等厚的各向異性連續(xù)體彈性等效原結(jié)構(gòu)的外框筒，用余能原理求外筒的柔度矩陣。由內(nèi)外筒位移協(xié)調(diào)方程求得在樓層處內(nèi)、外筒間的相互作用力，再分別對(duì)內(nèi)外筒進(jìn)行靜力計(jì)算。

3.2傳遞矩陣法

文獻(xiàn)根據(jù)內(nèi)外筒在各樓層處水平位移相等的條件建立變形協(xié)調(diào)微分方程，采用傳遞矩陣法求解。其缺點(diǎn)是需用迭代法求內(nèi)外筒剪力分配系數(shù)。

為了克服上述缺點(diǎn)，文獻(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)微分方程采用整體傳遞矩陣的初參數(shù)解，利用邊界條件確定初參數(shù)后，通過(guò)矩陣遞推計(jì)算出水平荷載作用下內(nèi)外筒的變形和內(nèi)力。

文獻(xiàn)以連續(xù)化數(shù)學(xué)模型和能量變分原理為基礎(chǔ)，導(dǎo)出的變截面高層框筒結(jié)構(gòu)的微分方程組，根據(jù)變截面框筒結(jié)構(gòu)的截面沿高度為階形變化的特點(diǎn)，以每個(gè)相同截面的層作為一個(gè)計(jì)算單元，由微分方程組導(dǎo)出每個(gè)單元的單元矩陣、截面矩陣和傳遞矩陣，進(jìn)而采用傳遞矩陣法進(jìn)行分析。

3.3超元法

超元法實(shí)質(zhì)上是一種基于連續(xù)化的矩陣位移法。采用等效柱模型，將結(jié)構(gòu)抗側(cè)力單元連續(xù)化，導(dǎo)出以每層為一大單元的剛度矩陣，然后借助矩陣位移法分析問(wèn)題。文獻(xiàn)在筒中筒結(jié)構(gòu)承受水平荷載作用的簡(jiǎn)化分析過(guò)程中，利用連續(xù)化處理得到單元位移函數(shù)，導(dǎo)出內(nèi)外筒組合的超級(jí)元單元?jiǎng)偠染仃嚭偷刃Ш奢d矩陣，按樓層或剛度的不同將其劃分成超級(jí)單元，利用矩陣位移法求解筒中筒結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力。

3.4狀態(tài)空間法

筒中筒結(jié)構(gòu)由于其外框筒復(fù)雜的受力性能，對(duì)其進(jìn)行精確分析也就變得十分困難。文獻(xiàn)將狀態(tài)空間法引入到筒中筒結(jié)構(gòu)的協(xié)同分析中，采用連續(xù)化模型，導(dǎo)出筒中筒結(jié)構(gòu)協(xié)同分析的狀態(tài)空間表達(dá)式，用精細(xì)積分法求出問(wèn)題的高精度數(shù)值解。

3.5噶密頓對(duì)偶體系

文獻(xiàn)在結(jié)構(gòu)連續(xù)化假定的基礎(chǔ)上，將內(nèi)筒和外筒視為鐵摩辛柯梁，同時(shí)考慮內(nèi)筒和外筒的剪切與彎曲變形，建立了筒中筒結(jié)構(gòu)協(xié)同分析的啥密頓對(duì)偶體系，其系統(tǒng)矩陣具有辛矩陣的特性，用精細(xì)積分法求解。

文獻(xiàn)根據(jù)連續(xù)化原理，把框筒等效連續(xù)化為由各向異性板和角柱圍成的等效實(shí)腹薄壁筒，引入縱向位移的三次樣條插值函數(shù)，建立考慮剪力滯后影響的框筒結(jié)構(gòu)受彎分析的哈密頓對(duì)偶求解體系，用精細(xì)積分法求解。

4、展望

目前來(lái)說(shuō)，筒中筒結(jié)構(gòu)已普遍運(yùn)用于超高層甚至是超超高層建筑中，原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠洫?dú)特的空間結(jié)構(gòu)體系。更為重要的一點(diǎn)是，當(dāng)普通建筑達(dá)到某一高度時(shí)，普通的剪力墻，框架剪力墻等的側(cè)向剛度不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，建筑物越來(lái)越傾向于將靠外墻房間做成室內(nèi)無(wú)柱的大空間，以便隨意設(shè)置隔墻，按需要?jiǎng)澐址块g，以求功能與結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一。

雖然筒中筒結(jié)構(gòu)體系的理論及實(shí)踐在國(guó)內(nèi)外均有較大的發(fā)展，但是對(duì)于其空間工作狀態(tài)的研究還不夠深入，對(duì)筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力以及動(dòng)力分析還不夠透徹，因此，筒中筒結(jié)構(gòu)的發(fā)展還有很大潛力，需要更多的研究。