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摘 要： 建筑设计中，框筒结构因为具有良好的空间承载力、平面布置灵活性较高而被广泛使用，尤其是在高层公共建筑中得到了大力推广。实
践表明，对框筒的结构进行合理设计，并对其外形及尺寸进行优化，更有利于结构性能的优化与发挥，同时也有助于框筒结构经济效益的提升。
对框筒结构的应用及受力特征进行简要分析，之后对支撑构件刚度比等能够对建筑框筒结构及结构性能产生影响的参数进行分析，希望能够引发
更多的关于建筑框筒设计的研究，也为后续研究提供更多的参考依据。
关键词： 建筑工程；框筒结构；设计参数
引言
框 筒 结 构 是 一 种 具 有 独 特 吸 引 力 、 灵 活 性 较 高 的 空 间 整 截 面 工 程 结 构 ， 外 形 美 观 。 从 结 构 上 讲 ， 框 筒 结 构 主 要 以 筒 中 筒 和 核
心 筒 为 主 。 高 层 建 筑 设 计 中 ， 框 筒 结 构 主 要 是 基 于 桁 架 的 内 力 分 布 特 征 ， 结 合 框 筒 自 身 易 变 形 的 特 点 打 造 的 大 型 支 撑 结 构 。 这 一
大 型 支 撑 框 筒 结 构 ， 能 够 显 著 提 升 框 筒 结 构 的 稳 定 性 ， 同 时 减 少 剪 力 滞 后 效 应 的 出 现 [ 1 ]。
1 框筒结构的应用及其受力特征分析
从 结 构 设 计 师 的 角 度 出 发 ， 框 筒 结 构 的 应 用 主 要 考 虑 高 层 建 筑 的 侧 向 风 荷 载 及 地 震 作 用 。 首 先 ， 以 矩 形 平 面 框 筒 为 例 ， 它 主
要 是 由 四 个 刚 性 框 架 正 交 构 成 ， 每 个 框 架 又 包 括 一 个 间 距 较 小 的 周 边 宽 柱 和 群 梁 。 尽 管 从 外 观 上 来 看 ， 其 与 筒 的 结 构 相 似 ， 但 其
性 能 较 开 洞 实 腹 筒 更 加 复 杂 ， 且 刚 度 优 势 也 并 不 显 著 。 若 受 到 来 自 水 平 方 向 的 荷 载 ， 它 的 基 本 特 性 类 似 于 一 般 的 垂 直 悬 臂 筒 ， 中
和 轴 两 边 的 柱 子 分 别 承 受 拉 力 和 加 压 力 。 与 横 向 荷 载 作 用 平 行 的 框 架 ， 其 受 力 范 围 不 仅 是 平 面 上 的 ， 还 会 受 其 相 关 结 构 的 剪 切 作
用 影 响 。 由 于 群 梁 的 弯 曲 刚 度 会 引 发 剪 力 迟 滞 ， 会 导 致 角 柱 的 应 力 增 大 ， 与 此 同 时 ， 翼 缘 框 架 也 随 之 减 小 ， 结 构 性 能 的 复 杂 度 愈
来 愈 高 [ 2 ]。
其 次 ， 水 平 荷 载 作 用 下 ， 结 构 的 抗 力 是 由 腹 板 框 架 来 提 供 的 。 当 腹 板 框 架 出 现 变 形 ， 中 间 轴 两 侧 的 角 柱 也 会 承 受 同 样 的 拉 力
和 压 力 。 在 此 基 础 上 ， 角 柱 的 垂 直 位 移 会 使 得 腹 板 与 翼 缘 框 架 间 的 相 互 作 用 变 得 愈 发 明 显 。 此 外 ， 由 于 角 柱 竖 向 位 移 ， 翼 缘 框 架
中 会 产 生 垂 直 剪 切 力 ， 从 而 改 变 翼 缘 柱 的 轴 力 。 基 于 上 述 条 件 ， 柱 群 梁 受 弯 ， 两 个 柱 会 产 生 一 定 的 变 形 。 最 终 ， 角 柱 的 受 力 比 纯
筒 体 大 ， 而 内 柱 的 受 力 小 于 纯 筒 体 。
2 基于建筑框筒结构的设计参数分析
2.1 支撑构件刚度比
通 过 角 柱 、 腹 板 与 翼 缘 框 架 实 现 了 紧 密 连 接 。 基 于 此 ， 框 筒 中 的 空 间 受 力 愈 来 愈 大 。 由 于 中 柱 的 主 要 功 能 是 产 生 抗 力 ， 扩 大
室 内 空 间 ， 因 此 ， 中 柱 起 到 了 很 大 的 作 用 ， 是 承 担 外 倾 覆 力 矩 的 重 要 部 分 。 斜 撑 结 构 使 框 筒 结 构 效 率 得 到 了 极 大 提 高 。 该 结 构 建
立 在 垂 直 荷 载 的 基 础 上 ， 使 外 框 柱 的 轴 力 达 到 相 对 匀 称 。 由 此 ， 斜 撑 可 代 替 窗 群 梁 ， 承 担 框 筒 结 构 的 纵 向 剪 力 和 侧 向 剪 切 ， 并 逐
渐 减 小 结 构 的 次 内 力 。 另 外 ， 斜 撑 的 外 框 也 能 抵 抗 风 荷 载 ， 如 果 刚 性 不 足 ， 将 会 失 去 抵 抗 能 力 ， 从 而 导 致 结 构 构 件 变 形 ， 角 柱 的
承 受 能 力 相 应 增 加 。 由 此 可 见 ， 支 撑 构 件 刚 度 比 对 框 筒 结 构 产 生 的 影 响 是 不 容 忽 视 的 。
斜 撑 刚 度 加 倍 减 半 实 验 结 果 表 明 ， 斜 撑 的 横 向 位 移 与 其 刚 度 成 正 比 ， 即 当 刚 性 增 加 时 ， 其 横 向 位 移 会 随 之 降 低 。 因 此 ， 提 高
斜 撑 刚 度 ，能 有 效 地 减 少 结 构 的 横 向 变 形 。其 次 ，增 加 斜 撑 刚 度 ，能 有 效 地 降 低 剪 力 滞 后 效 应 带 来 的 负 面 影 响 。当 斜 撑 刚 度 较 大 时 ，
结 构 的 剪 力 迟 滞 作 用 并 不 明 显 ， 角 柱 轴 力 也 明 显 降 低 ， 中 柱 的 轴 向 作 用 力 有 很 大 的 提 高 。 除 上 述 内 容 以 外 ， 该 实 验 结 果 还 表 明 ，
斜 撑 刚 度 与 翼 缘 柱 倾 覆 扭 矩 分 布 的 相 关 性 并 不 密 切 ， 也 就 是 说 ， 刚 性 的 改 变 并 不 一 定 会 导 致 翼 缘 柱 倾 覆 扭 矩 分 布 发 生 变 化 [ 3 ]。
2.2 斜撑角度的变化
巨 型 斜 撑 是 框 筒 结 构 设 计 最 为 重 要 的 环 节 ，它 将 直 接 影 响 框 筒 的 剪 力 传 递 及 横 向 刚 度 。为 保 证 框 筒 结 构 的 内 力 传 递 趋 于 协 调 ，
需 要 参 考 建 筑 物 的 层 高 和 柱 跨 来 确 定 斜 撑 的 倾 角 。 斜 撑 的 角 度 直 接 影 响 的 是 斜 撑 所 跨 越 楼 层 ， 从 而 进 一 步 对 结 构 的 水 平 刚 度 、 结
构 的 侧 向 位 移 以 及 层 间 的 侧 向 位 移 产 生 影 响 。 假 设 斜 撑 横 跨 多 个 楼 层 ， 其 承 载 区 域 的 载 荷 会 急 剧 上 升 ， 而 水 平 剪 力 和 垂 直 剪 力 也
会 随 之 增 加 ， 角 柱 力 提 升 。 若 斜 撑 较 长 ， 就 会 导 致 轴 向 变 形 ， 柱 与 柱 之 间 的 错 动 频 繁 ， 剪 力 滞 后 效 应 产 生 并 加 剧 。
此 时 对 结 构 斜 撑 倾 角 进 行 调 整 ， 使 斜 撑 跨 楼 层 数 量 为 1 5 和 9 ， 同 时 扩 大 柱 距 ， 通 过 对 两 组 实 验 数 据 的 比 较 ， 可 以 发 现 斜 撑 角
度 的 改 变 会 导 致 剪 力 滞 后 效 应 出 现 ， 且 二 者 之 间 成 正 比 ， 即 斜 撑 角 度 增 加 ， 必 然 会 导 致 剪 力 滞 后 效 应 的 增 强 。 在 竖 向 力 传 递 的 作
用 下 ， 结 构 底 部 斜 撑 角 与 角 柱 、 中 柱 轴 力 成 反 比 ， 斜 撑 角 增 大 ， 角 柱 、 中 柱 轴 力 会 相 应 减 小 。 若 柱 距 不 断 增 加 ， 建 筑 结 构 性 能 将
持 续 恶 化 ， 剪 力 滞 后 效 应 加 剧 。 与 此 同 时 ， 上 述 变 化 会 造 成 一 定 的 偏 差 ， 考 虑 到 各 翼 缘 面 上 有 两 根 中 柱 ， 在 不 改 变 柱 横 截 面 的 情
况 下 ， 建 筑 框 筒 的 受 力 将 会 增 大 ， 容 易 发 生 形 变 。 采 用 相 同 的 钢 材 用 量 ， 可 以 有 效 缓 解 这 一 问 题 。 在 柱 距 相 同 的 情 况 下 ， 斜 撑 角
度 不 会 对 框 筒 的 横 向 位 移 产 生 明 显 的 影 响 ， 但 会 对 层 间 偏 移 产 生 一 定 影 响 。 因 层 间 位 移 与 斜 撑 角 呈 正 比 例 关 系 ， 因 此 ， 结 构 层 的
刚 度 将 持 续 增 加 。
2.3 结构平面的形状
国 内 建 筑 设 计 通 常 将 两 条 原 则 作 为 框 筒 平 面 设 计 的 依 据 。 即 框 筒 结 构 的 平 面 设 计 既 要 使 该 结 构 的 工 作 性 能 得 到 最 大 程 度 的 发
挥 ， 又 要 做 到 高 度 对 称 ， 以 减 少 地 震 或 其 他 外 力 因 素 影 响 对 建 筑 造 成 的 破 坏 。 基 于 此 ， 选 择 正 三 角 形 、 圆 形 等 对 称 性 较 高 的 平 面
形 态 是 最 科 学 、 最 合 理 的 。 以 典 型 的 矩 形 结 构 为 例 ， 需 重 点 探 讨 其 长 宽 比 对 框 筒 结 构 的 影 响 。 在 平 面 型 长 宽 比 中 ， 垂 直 于 水 平 荷
基于建筑框筒结构设计参数的研究分析
罗 劲 / 武汉和创建筑工程设计有限公司 湖北武汉 430073
摘 要： 建筑设计中，框筒结构因为具有良好的空间承载力、平面布置灵活性较高而被广泛使用，尤其是在高层公共建筑中得到了大力推广。实
践表明，对框筒的结构进行合理设计，并对其外形及尺寸进行优化，更有利于结构性能的优化与发挥，同时也有助于框筒结构经济效益的提升。
对框筒结构的应用及受力特征进行简要分析，之后对支撑构件刚度比等能够对建筑框筒结构及结构性能产生影响的参数进行分析，希望能够引发
更多的关于建筑框筒设计的研究，也为后续研究提供更多的参考依据。
关键词： 建筑工程；框筒结构；设计参数
14 | CHINA HOUSING FACILITIES
建筑结构
载 的 边 长 不 应 过 长 ， 长 宽 比 也 不 宜 太 大 ， 否 则 将 会 使 框 筒 结 构 的 工 作 性 能 受 限 ， 增 加 剪 力 滞 后 效 应 出 现 的 可 能 性 。 基 于 此 ， 需 要
对 筒 体 结 构 的 平 面 尺 寸 进 行 严 格 把 控 ， 从 而 为 框 筒 结 构 的 性 能 实 现 提 供 保 障 。
在 结 构 平 面 面 积 相 同 的 条 件 下 ， 采 用 四 种 不 同 长 宽 比 的 结 构 模 型 进 行 仿 真 ， 得 出 如 下 结 论 ： 首 先 ， 平 面 形 状 的 长 宽 比 对 结 构
的 侧 向 位 移 、层 间 侧 移 有 直 接 的 影 响 。平 面 形 状 长 宽 比 的 增 加 必 然 会 导 致 宽 度 的 降 低 ，同 时 结 构 抗 弯 矩 与 抗 侧 强 度 也 会 受 到 负 影 响；
第 二 ， 当 平 面 形 状 的 长 宽 比 增 加 时 ， 建 筑 结 构 受 剪 力 滞 后 效 应 的 影 响 也 会 增 大 ， 同 时 角 柱 的 应 力 集 中 系 数 也 会 增 加 。 第 三 ， 平 面
形 状 长 宽 比 的 增 加 还 会 导 致 筒 体 的 结 构 效 率 逐 步 下 降 ， 这 将 对 其 性 能 的 发 挥 造 成 不 利 的 影 响 。
2.4 结构高度宽度比
《 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 》 中 明 确 规 定 ， 筒 中 筒 结 构 的 高 度 不 可 低 于 8 0 m ， 其 高 宽 比 也 不 得 小 于 3 。 在 结 构 高 度 小 于
6 0 m 的 情 况 下 ， 建 议 采 用 框 架 － 剪 力 墙 的 结 构 形 式 。 由 此 不 难 看 出 ， 结 构 高 度 与 高 宽 比 对 筒 中 筒 结 构 、 框 架 － 核 心 筒 结 构 受 力 特
性 的 影 响 。 基 于 水 平 作 用 ， 结 构 高 宽 比 的 减 小 会 增 加 结 构 的 形 变 概 率 ， 且 其 形 变 程 度 会 逐 渐 向 剪 切 形 变 靠 拢 。 在 这 种 情 况 下 ， 翼
缘 框 架 在 倾 覆 力 矩 方 面 的 承 受 力 较 为 薄 弱 ， 无 法 充 分 发 挥 框 筒 结 构 的 工 作 特 性 。 反 之 ， 随 着 结 构 高 宽 比 的 增 大 ， 整 体 侧 移 角 度 和
层 间 偏 移 角 度 均 有 所 提 高 ， 这 为 筒 体 效 应 的 发 挥 提 供 了 较 好 的 外 部 条 件 ， 且 能 够 有 效 防 止 剪 力 滞 后 现 象 的 出 现 。
3 核心筒的连梁设计
建 筑 框 筒 结 构 设 计 中 ， 连 梁 跨 高 比 小 、 刚 度 大 的 特 性 较 为 显 著 。 再 加 上 其 两 端 所 连 接 的 筒 体 墙 刚 度 较 大 ， 若 受 到 水 平 方 向 的
荷 载 ， 连 梁 的 受 力 不 断 增 加 ， 建 筑 框 筒 结 构 的 设 计 难 度 提 升 。 建 筑 结 构 设 计 过 程 中 ， 连 梁 通 常 被 视 为 耗 能 构 件 。 为 确 保 该 结 构 设
计 拥 有 较 好 的 抗 震 性 能 ， 需 要 增 加 连 梁 的 延 展 性 与 耗 能 能 力 。
在 水 平 力 作 用 下 ，连 梁 的 破 坏 形 态 与 其 跨 高 比 息 息 相 关 ，二 者 之 间 成 正 比 。即 跨 高 比 越 高 ，连 梁 的 破 坏 形 态 越 大 ，延 展 性 越 好 。
若 跨 高 比 较 小 ， 容 易 发 生 剪 切 变 形 ， 相 较 于 跨 高 比 较 大 情 况 下 的 延 性 ， 其 脆 性 更 加 突 出 。 而 在 地 震 发 生 的 时 候 ， 建 筑 结 构 发 生 弯
曲 破 坏 更 能 够 减 少 对 建 筑 本 身 的 影 响 ， 因 此 ， 建 筑 核 心 筒 连 梁 设 计 需 要 重 点 关 注 连 梁 跨 高 比 ， 使 其 保 持 在 较 高 水 平 更 有 助 于 抗 震
性 能 发 挥 。
除 此 以 外 ， 核 心 筒 连 梁 设 计 还 需 要 遵 循 以 下 原 则 ： 首 先 ， 要 避 免 单 一 连 梁 的 布 置 ， 需 要 结 合 建 筑 本 身 的 性 能 将 强 弱 连 梁 结 合
在 一 起 ； 其 次 ， 为 了 提 高 核 心 筒 的 抗 扭 强 度 ， 必 须 加 强 核 心 筒 周 边 连 接 梁 的 结 构 设 计 ， 并 适 当 弱 化 内 连 梁 ； 最 后 ， 采 用 搁 置 周 边
框 架 梁 等 措 施 ， 可 以 降 低 连 梁 承 受 集 中 荷 载 的 可 能 。 具 体 建 设 过 程 中 ， 连 梁 高 度 、 跨 度 会 受 到 多 种 外 部 因 素 的 影 响 ， 如 建 筑 平 面
尺 寸 等 。 因 此 ， 需 要 相 关 工 作 人 员 结 合 工 程 实 际 ， 对 连 梁 跨 高 比 等 进 行 合 理 设 计 。
4 大开洞剪力墙模型设计
在 联 肢 墙 结 构 设 计 过 程 中 ， 若 孔 洞 较 大 ， 且 连 梁 的 刚 度 和 墙 肢 的 刚 度 保 持 在 同 一 水 平 ， 可 以 采 用 壁 框 的 解 析 方 法 来 进 行 内 力
和 位 移 的 计 算 。 一 般 情 况 下 ， 当 符 合 以 上 条 件 时 ， 联 肢 墙 的 结 构 性 能 与 框 架 性 能 基 本 相 当 ， 但 联 肢 墙 结 构 有 宽 梁 宽 柱 ， 因 此 不 能
被 认 为 是 普 通 的 杠 杆 系 统 。 联 肢 墙 的 梁 、 墙 相 交 的 区 域 变 形 程 度 较 小 ， 交 接 面 积 大 ， 可 称 之 为 刚 域 。 基 于 此 ， 可 将 联 肢 墙 简 化 为
带 刚 域 的 变 截 面 杠 件 ， 假 设 刚 域 部 分 未 出 现 形 变 ， 就 可 以 称 作 壁 式 框 架 。 此 时 可 采 取 以 下 两 种 方 式 进 行 分 析 、 计 算 。 其 一 ， 利 用
杆 系 有 限 元 方 法 计 算 位 移 和 内 力 的 变 化 情 况 。 除 杆 件 刚 度 矩 阵 外 ， 其 他 与 按 通 用 框 架 的 计 算 方 法 相 同 。 程 序 计 算 过 程 中 ， 需 要 对
杠 件 的 剪 切 形 变 及 轴 向 形 变 进 行 考 量 。 其 二 ， 采 用 D 值 方 法 进 行 计 算 。 即 仅 调 整 杆 件 刚 度 ， 其 余 均 按 常 规 的 D 值 方 法 执 行 ， 最 后
确 定 反 弯 点 的 高 度 。 该 计 算 方 法 不 需 要 对 轴 向 变 形 进 行 考 虑 [ 4 ]。
为 了 对 轴 向 变 形 对 大 开 洞 剪 力 墙 在 竖 向 荷 载 作 用 、 水 平 荷 载 作 用 下 的 内 力 影 响 、 变 形 影 响 进 行 研 究 ， 本 文 对 目 前 实 际 结 构 的
普 遍 高 度 范 围 进 行 了 研 究 ， 最 终 选 择 1 0 层 、 2 0 层 、 3 0 层 作 为 计 算 条 件 之 一 。 竖 向 荷 载 、 水 平 均 布 荷 载 等 的 取 值 均 是 按 照 结 构 实
际 受 力 情 况 估 算 所 得 。 此 外 ， 假 设 该 建 筑 结 构 设 计 材 料 主 要 是 C 3 0 级 混 凝 土 ， 其 弹 性 模 量 为 E = 3 0 G P a ， 剪 切 模 量 为 G = 1 2 . 5 G P a 。
4.1 轴向变形对大开洞剪力墙在竖向荷载作用下的内力影响
本 文 通 过 有 限 杆 单 元 程 序 对 竖 向 均 布 荷 载 作 用 下 的 单 片 大 开 洞 剪 力 墙 结 构 进 行 计 算 ， 主 要 分 为 考 虑 柱 的 轴 向 变 形 与 不 考 虑 柱
的 轴 向 变 形 两 种 情 况 ， 取 竖 向 均 布 荷 载 q = 1 0 K N / m 。
在 轴 向 变 形 的 影 响 下 ，大 开 洞 剪 力 墙 边 柱 弯 矩 逐 渐 减 小 ，中 柱 弯 矩 提 升 ，且 随 着 楼 层 的 不 断 升 高 增 长 幅 度 也 越 来 越 大 。同 时 ，
轴 向 变 形 情 况 下 ， 大 开 洞 剪 力 墙 侧 跨 梁 外 支 座 的 负 弯 矩 、 中 跨 梁 跨 中 截 面 正 弯 矩 增 大 。 考 虑 轴 向 变 形 与 不 考 虑 轴 向 变 形 的 计 算 结
果 如 表 1 表 2 所 示 。
表 1 轴向变形对壁式框架柱端弯矩影响的百分比计算
表 2 轴向变形对壁式框架梁弯矩影响的百分比计算
若 不 考 虑 柱 轴 变 形 对 壁 式 框 架 内 力 的 影 响 ， 由 于 不 同 层 数 的 整 体 结 构 不 同 ， 承 受 的 竖 向 均 布 荷 载 相 同 ， 梁 柱 节 点 并 没 有 出 现
竖 向 位 移 ，标 准 层 受 力 与 分 层 法 中 只 带 一 层 横 梁 的 框 架 相 似 ，每 一 层 梁 和 柱 内 力 都 是 相 同 的 ，且 并 不 会 随 着 房 屋 高 度 的 变 化 而 变 化 。
当 结 构 底 层 层 高 增 大 ， 顶 层 梁 柱 节 点 的 刚 度 与 标 准 层 的 半 刚 性 节 点 产 生 显 著 差 异 。 此 时 ， 结 构 底 部 和 顶 部 内 力 会 发 生 突 变 。
2023.07 | 15
建筑结构
在 考 虑 柱 轴 向 变 形 对 壁 式 框 架 内 力 产 生 的 影 响 ，中 柱 与 边 柱 轴 向 的 形 变 程 度 并 不 相 等 ，框 架 梁 不 仅 受 到 来 自 竖 向 的 均 布 荷 载 ，
还 要 承 受 垂 直 于 杆 轴 方 向 的 相 对 线 位 移 作 用 ， 层 与 层 之 间 柱 的 轴 向 形 变 程 度 也 并 不 相 等 。 基 于 此 ， 此 时 梁 柱 内 力 图 形 会 逐 渐 由 直
线 变 为 曲 线 ， 且 会 受 到 房 屋 高 度 的 影 响 。
4.2 轴向变形对大开洞剪力墙在水平荷载作用下的变形影响
对轴向变形对大开洞剪力墙在水平荷载作用下的变形影响进行探讨同样分为不考虑柱的轴向变形和考虑柱的轴向变形两种情况。
在 轴 向 变 形 的 影 响 下 ， 大 开 洞 剪 力 墙 水 平 侧 移 增 加 ， 且 水 平 侧 移 的 增 长 幅 度 会 受 到 楼 层 的 影 响 ， 即 随 着 楼 层 的 提 升 而 变 大 。
随 着 楼 层 的 不 断 增 加 ， 最 大 层 间 位 移 所 在 的 楼 层 也 逐 渐 向 上 移 动 ， 侧 移 曲 线 渐 渐 地 由 剪 切 型 转 变 为 弯 曲 型 ， 在 不 同 形 式 的 荷 载 作
用 下 ， 其 转 变 程 度 也 存 在 一 定 差 异 。 具 体 的 计 算 结 果 如 表 3 所 示 。
表 3 轴向变形产生的顶点侧移在总的顶点侧移中的占比（%）
通 过 上 述 计 算 与 整 体 分 析 ， 基 于 给 定 的 竖 向 均 布 荷 载 作 用 ， 大 开 洞 剪 力 墙 模 型 轴 向 变 形 对 壁 式 框 架 柱 不 同 控 制 截 面 内
力 产 生 的 影 响 不 同 。 1 0 层 的 最 大 百 分 比 在 3 6 . 4 0 % ～ 5 4 . 1 0 % 之 间 ， 2 0 层 的 最 大 百 分 比 范 围 为 5 8 . 3 7 % ～ 7 2 . 7 1 % ， 3 0 层 为
5 5 . 2 1 % ～ 8 6 . 2 3 % 。 由 此 可 知 ， 竖 向 载 荷 作 用 ， 轴 向 变 形 对 壁 式 框 架 内 力 的 影 响 很 大 。 因 此 ， 在 高 层 建 筑 的 设 计 中 ， 轴 向 变 形 是
一 个 不 容 忽 视 的 因 素 。
在 给 定 的 不 同 形 式 水 平 荷 载 作 用 下 ， 轴 向 变 形 产 生 的 侧 移 在 总 侧 移 中 所 占 比 例 为 ： 1 0 层 7 . 4 6 % ～ 1 1 . 2 9 % ， 2 0 层
2 6 . 5 8 % ～ 3 3 . 6 1 % ， 3 0 层 4 4 . 5 0 % ～ 5 2 . 8 4 % 。 因 此 ， 多 层 结 构 水 平 侧 移 计 算 可 忽 略 轴 向 变 形 的 影 响 。 但 在 高 层 结 构 水 平 侧 移 的 计
算 中 ， 同 样 不 可 忽 视 。
随 着 房 屋 高 度 的 不 断 增 加 ， 基 于 轴 向 变 形 的 壁 式 框 架 侧 移 曲 线 发 生 显 著 变 化 ， 逐 渐 由 最 初 的 剪 切 型 转 变 为 弯 曲 型 ， 且 在 不 同
形 式 的 荷 载 作 用 下 转 变 程 度 也 有 所 不 同 。 其 中 ， 顶 点 集 中 荷 载 作 用 下 的 转 变 程 度 较 为 明 显 ， 其 次 是 倒 三 角 荷 载 作 用 ， 最 后 ， 在 水
平 均 布 荷 载 作 用 下 ， 其 转 变 程 度 较 低 。 基 于 本 文 讨 论 的 大 开 洞 剪 力 墙 模 型 可 以 得 出 ， 顶 点 集 中 荷 载 作 用 下 1 0 层 以 上 ， 倒 三 角 荷
载 作 用 下 2 0 层 以 上 ， 水 平 均 布 荷 载 作 用 下 3 0 层 以 上 ， 最 大 层 间 侧 移 会 出 现 在 结 构 中 部 或 顶 部 。 不 仅 如 此 ， 这 一 位 置 随 着 最 大 层
间 侧 移 所 在 楼 层 的 移 动 ， 其 轴 向 变 形 所 产 生 的 层 面 侧 移 所 占 比 例 也 会 迅 速 增 加 或 降 低 。
结语
框 筒 结 构 因 其 适 应 性 和 横 向 抗 侧 力 而 被 广 泛 地 应 用 于 建 筑 设 计 中 ， 是 当 前 建 筑 设 计 高 效 使 用 的 系 统 架 构 之 一 。 为 充 分 发 挥 建
筑 框 筒 结 构 的 工 作 性 能 ， 减 少 剪 力 滞 后 效 应 的 出 现 ， 使 核 心 筒 连 梁 设 计 科 学 、 合 理 ， 需 要 对 结 构 高 度 与 高 宽 比 、 结 构 平 面 形 状 等
设 计 参 数 进 行 分 析 ， 总 结 框 筒 结 构 设 计 中 ， 在 主 构 件 刚 度 、 斜 撑 角 度 等 方 面 的 注 意 事 项 。 除 此 以 外 ， 本 文 还 通 过 算 力 计 算 对 轴 向
变 形 对 大 开 洞 剪 力 墙 受 力 性 能 产 生 的 影 响 进 行 分 析 ， 分 两 种 情 况 进 行 讨 论 ， 说 明 高 层 建 筑 框 筒 结 构 的 设 计 需 要 对 柱 的 变 形 影 响 进
行 研 究 。 基 于 微 分 方 程 对 轴 向 变 形 的 计 算 公 式 进 行 推 导 ， 最 终 得 出 内 力 计 算 可 忽 视 柱 的 轴 向 变 形 的 情 况 ， 仅 考 虑 两 根 边 柱 轴 向 变
形 的 影 响 即 可 。
参考文献
[1] 徐雪松 , 尹晓刚 . 超高层建筑框筒结构外框立体流水施工技术研究与探讨 [J]. 住宅与房地产 ,2019(34):157.
[2] 陈兆荣 , 潘东辉 , 魏春玲等 . 高层建筑框筒结构层受剪承载力计算方法研究 [J]. 华南地震 ,2018,38(01):120-124.
[3] 张怀超 . 高层框筒结构抗震性能分析方法研究 [D]. 青岛 : 青岛理工大学 ,2016.
[4] 王昕 . 超高层建筑框筒结构的混凝土墙柱托换施工技术 [J]. 民营科技 ,2016(06):211.
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践表明，对框筒的结构进行合理设计，并对其外形及尺寸进行优化，更有利于结构性能的优化与发挥，同时也有助于框筒结构经济效益的提升。
对框筒结构的应用及受力特征进行简要分析，之后对支撑构件刚度比等能够对建筑框筒结构及结构性能产生影响的参数进行分析，希望能够引发
更多的关于建筑框筒设计的研究，也为后续研究提供更多的参考依据。
关键词： 建筑工程；框筒结构；设计参数
引言
框 筒 结 构 是 一 种 具 有 独 特 吸 引 力 、 灵 活 性 较 高 的 空 间 整 截 面 工 程 结 构 ， 外 形 美 观 。 从 结 构 上 讲 ， 框 筒 结 构 主 要 以 筒 中 筒 和 核
心 筒 为 主 。 高 层 建 筑 设 计 中 ， 框 筒 结 构 主 要 是 基 于 桁 架 的 内 力 分 布 特 征 ， 结 合 框 筒 自 身 易 变 形 的 特 点 打 造 的 大 型 支 撑 结 构 。 这 一
大 型 支 撑 框 筒 结 构 ， 能 够 显 著 提 升 框 筒 结 构 的 稳 定 性 ， 同 时 减 少 剪 力 滞 后 效 应 的 出 现 [ 1 ]。
1 框筒结构的应用及其受力特征分析
从 结 构 设 计 师 的 角 度 出 发 ， 框 筒 结 构 的 应 用 主 要 考 虑 高 层 建 筑 的 侧 向 风 荷 载 及 地 震 作 用 。 首 先 ， 以 矩 形 平 面 框 筒 为 例 ， 它 主
要 是 由 四 个 刚 性 框 架 正 交 构 成 ， 每 个 框 架 又 包 括 一 个 间 距 较 小 的 周 边 宽 柱 和 群 梁 。 尽 管 从 外 观 上 来 看 ， 其 与 筒 的 结 构 相 似 ， 但 其
性 能 较 开 洞 实 腹 筒 更 加 复 杂 ， 且 刚 度 优 势 也 并 不 显 著 。 若 受 到 来 自 水 平 方 向 的 荷 载 ， 它 的 基 本 特 性 类 似 于 一 般 的 垂 直 悬 臂 筒 ， 中
和 轴 两 边 的 柱 子 分 别 承 受 拉 力 和 加 压 力 。 与 横 向 荷 载 作 用 平 行 的 框 架 ， 其 受 力 范 围 不 仅 是 平 面 上 的 ， 还 会 受 其 相 关 结 构 的 剪 切 作
用 影 响 。 由 于 群 梁 的 弯 曲 刚 度 会 引 发 剪 力 迟 滞 ， 会 导 致 角 柱 的 应 力 增 大 ， 与 此 同 时 ， 翼 缘 框 架 也 随 之 减 小 ， 结 构 性 能 的 复 杂 度 愈
来 愈 高 [ 2 ]。
其 次 ， 水 平 荷 载 作 用 下 ， 结 构 的 抗 力 是 由 腹 板 框 架 来 提 供 的 。 当 腹 板 框 架 出 现 变 形 ， 中 间 轴 两 侧 的 角 柱 也 会 承 受 同 样 的 拉 力
和 压 力 。 在 此 基 础 上 ， 角 柱 的 垂 直 位 移 会 使 得 腹 板 与 翼 缘 框 架 间 的 相 互 作 用 变 得 愈 发 明 显 。 此 外 ， 由 于 角 柱 竖 向 位 移 ， 翼 缘 框 架
中 会 产 生 垂 直 剪 切 力 ， 从 而 改 变 翼 缘 柱 的 轴 力 。 基 于 上 述 条 件 ， 柱 群 梁 受 弯 ， 两 个 柱 会 产 生 一 定 的 变 形 。 最 终 ， 角 柱 的 受 力 比 纯
筒 体 大 ， 而 内 柱 的 受 力 小 于 纯 筒 体 。
2 基于建筑框筒结构的设计参数分析
2.1 支撑构件刚度比
通 过 角 柱 、 腹 板 与 翼 缘 框 架 实 现 了 紧 密 连 接 。 基 于 此 ， 框 筒 中 的 空 间 受 力 愈 来 愈 大 。 由 于 中 柱 的 主 要 功 能 是 产 生 抗 力 ， 扩 大
室 内 空 间 ， 因 此 ， 中 柱 起 到 了 很 大 的 作 用 ， 是 承 担 外 倾 覆 力 矩 的 重 要 部 分 。 斜 撑 结 构 使 框 筒 结 构 效 率 得 到 了 极 大 提 高 。 该 结 构 建
立 在 垂 直 荷 载 的 基 础 上 ， 使 外 框 柱 的 轴 力 达 到 相 对 匀 称 。 由 此 ， 斜 撑 可 代 替 窗 群 梁 ， 承 担 框 筒 结 构 的 纵 向 剪 力 和 侧 向 剪 切 ， 并 逐
渐 减 小 结 构 的 次 内 力 。 另 外 ， 斜 撑 的 外 框 也 能 抵 抗 风 荷 载 ， 如 果 刚 性 不 足 ， 将 会 失 去 抵 抗 能 力 ， 从 而 导 致 结 构 构 件 变 形 ， 角 柱 的
承 受 能 力 相 应 增 加 。 由 此 可 见 ， 支 撑 构 件 刚 度 比 对 框 筒 结 构 产 生 的 影 响 是 不 容 忽 视 的 。
斜 撑 刚 度 加 倍 减 半 实 验 结 果 表 明 ， 斜 撑 的 横 向 位 移 与 其 刚 度 成 正 比 ， 即 当 刚 性 增 加 时 ， 其 横 向 位 移 会 随 之 降 低 。 因 此 ， 提 高
斜 撑 刚 度 ，能 有 效 地 减 少 结 构 的 横 向 变 形 。其 次 ，增 加 斜 撑 刚 度 ，能 有 效 地 降 低 剪 力 滞 后 效 应 带 来 的 负 面 影 响 。当 斜 撑 刚 度 较 大 时 ，
结 构 的 剪 力 迟 滞 作 用 并 不 明 显 ， 角 柱 轴 力 也 明 显 降 低 ， 中 柱 的 轴 向 作 用 力 有 很 大 的 提 高 。 除 上 述 内 容 以 外 ， 该 实 验 结 果 还 表 明 ，
斜 撑 刚 度 与 翼 缘 柱 倾 覆 扭 矩 分 布 的 相 关 性 并 不 密 切 ， 也 就 是 说 ， 刚 性 的 改 变 并 不 一 定 会 导 致 翼 缘 柱 倾 覆 扭 矩 分 布 发 生 变 化 [ 3 ]。
2.2 斜撑角度的变化
巨 型 斜 撑 是 框 筒 结 构 设 计 最 为 重 要 的 环 节 ，它 将 直 接 影 响 框 筒 的 剪 力 传 递 及 横 向 刚 度 。为 保 证 框 筒 结 构 的 内 力 传 递 趋 于 协 调 ，
需 要 参 考 建 筑 物 的 层 高 和 柱 跨 来 确 定 斜 撑 的 倾 角 。 斜 撑 的 角 度 直 接 影 响 的 是 斜 撑 所 跨 越 楼 层 ， 从 而 进 一 步 对 结 构 的 水 平 刚 度 、 结
构 的 侧 向 位 移 以 及 层 间 的 侧 向 位 移 产 生 影 响 。 假 设 斜 撑 横 跨 多 个 楼 层 ， 其 承 载 区 域 的 载 荷 会 急 剧 上 升 ， 而 水 平 剪 力 和 垂 直 剪 力 也
会 随 之 增 加 ， 角 柱 力 提 升 。 若 斜 撑 较 长 ， 就 会 导 致 轴 向 变 形 ， 柱 与 柱 之 间 的 错 动 频 繁 ， 剪 力 滞 后 效 应 产 生 并 加 剧 。
此 时 对 结 构 斜 撑 倾 角 进 行 调 整 ， 使 斜 撑 跨 楼 层 数 量 为 1 5 和 9 ， 同 时 扩 大 柱 距 ， 通 过 对 两 组 实 验 数 据 的 比 较 ， 可 以 发 现 斜 撑 角
度 的 改 变 会 导 致 剪 力 滞 后 效 应 出 现 ， 且 二 者 之 间 成 正 比 ， 即 斜 撑 角 度 增 加 ， 必 然 会 导 致 剪 力 滞 后 效 应 的 增 强 。 在 竖 向 力 传 递 的 作
用 下 ， 结 构 底 部 斜 撑 角 与 角 柱 、 中 柱 轴 力 成 反 比 ， 斜 撑 角 增 大 ， 角 柱 、 中 柱 轴 力 会 相 应 减 小 。 若 柱 距 不 断 增 加 ， 建 筑 结 构 性 能 将
持 续 恶 化 ， 剪 力 滞 后 效 应 加 剧 。 与 此 同 时 ， 上 述 变 化 会 造 成 一 定 的 偏 差 ， 考 虑 到 各 翼 缘 面 上 有 两 根 中 柱 ， 在 不 改 变 柱 横 截 面 的 情
况 下 ， 建 筑 框 筒 的 受 力 将 会 增 大 ， 容 易 发 生 形 变 。 采 用 相 同 的 钢 材 用 量 ， 可 以 有 效 缓 解 这 一 问 题 。 在 柱 距 相 同 的 情 况 下 ， 斜 撑 角
度 不 会 对 框 筒 的 横 向 位 移 产 生 明 显 的 影 响 ， 但 会 对 层 间 偏 移 产 生 一 定 影 响 。 因 层 间 位 移 与 斜 撑 角 呈 正 比 例 关 系 ， 因 此 ， 结 构 层 的
刚 度 将 持 续 增 加 。
2.3 结构平面的形状
国 内 建 筑 设 计 通 常 将 两 条 原 则 作 为 框 筒 平 面 设 计 的 依 据 。 即 框 筒 结 构 的 平 面 设 计 既 要 使 该 结 构 的 工 作 性 能 得 到 最 大 程 度 的 发
挥 ， 又 要 做 到 高 度 对 称 ， 以 减 少 地 震 或 其 他 外 力 因 素 影 响 对 建 筑 造 成 的 破 坏 。 基 于 此 ， 选 择 正 三 角 形 、 圆 形 等 对 称 性 较 高 的 平 面
形 态 是 最 科 学 、 最 合 理 的 。 以 典 型 的 矩 形 结 构 为 例 ， 需 重 点 探 讨 其 长 宽 比 对 框 筒 结 构 的 影 响 。 在 平 面 型 长 宽 比 中 ， 垂 直 于 水 平 荷
基于建筑框筒结构设计参数的研究分析
罗 劲 / 武汉和创建筑工程设计有限公司 湖北武汉 430073
摘 要： 建筑设计中，框筒结构因为具有良好的空间承载力、平面布置灵活性较高而被广泛使用，尤其是在高层公共建筑中得到了大力推广。实
践表明，对框筒的结构进行合理设计，并对其外形及尺寸进行优化，更有利于结构性能的优化与发挥，同时也有助于框筒结构经济效益的提升。
对框筒结构的应用及受力特征进行简要分析，之后对支撑构件刚度比等能够对建筑框筒结构及结构性能产生影响的参数进行分析，希望能够引发
更多的关于建筑框筒设计的研究，也为后续研究提供更多的参考依据。
关键词： 建筑工程；框筒结构；设计参数
14 | CHINA HOUSING FACILITIES
建筑结构
载 的 边 长 不 应 过 长 ， 长 宽 比 也 不 宜 太 大 ， 否 则 将 会 使 框 筒 结 构 的 工 作 性 能 受 限 ， 增 加 剪 力 滞 后 效 应 出 现 的 可 能 性 。 基 于 此 ， 需 要
对 筒 体 结 构 的 平 面 尺 寸 进 行 严 格 把 控 ， 从 而 为 框 筒 结 构 的 性 能 实 现 提 供 保 障 。
在 结 构 平 面 面 积 相 同 的 条 件 下 ， 采 用 四 种 不 同 长 宽 比 的 结 构 模 型 进 行 仿 真 ， 得 出 如 下 结 论 ： 首 先 ， 平 面 形 状 的 长 宽 比 对 结 构
的 侧 向 位 移 、层 间 侧 移 有 直 接 的 影 响 。平 面 形 状 长 宽 比 的 增 加 必 然 会 导 致 宽 度 的 降 低 ，同 时 结 构 抗 弯 矩 与 抗 侧 强 度 也 会 受 到 负 影 响；
第 二 ， 当 平 面 形 状 的 长 宽 比 增 加 时 ， 建 筑 结 构 受 剪 力 滞 后 效 应 的 影 响 也 会 增 大 ， 同 时 角 柱 的 应 力 集 中 系 数 也 会 增 加 。 第 三 ， 平 面
形 状 长 宽 比 的 增 加 还 会 导 致 筒 体 的 结 构 效 率 逐 步 下 降 ， 这 将 对 其 性 能 的 发 挥 造 成 不 利 的 影 响 。
2.4 结构高度宽度比
《 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 》 中 明 确 规 定 ， 筒 中 筒 结 构 的 高 度 不 可 低 于 8 0 m ， 其 高 宽 比 也 不 得 小 于 3 。 在 结 构 高 度 小 于
6 0 m 的 情 况 下 ， 建 议 采 用 框 架 － 剪 力 墙 的 结 构 形 式 。 由 此 不 难 看 出 ， 结 构 高 度 与 高 宽 比 对 筒 中 筒 结 构 、 框 架 － 核 心 筒 结 构 受 力 特
性 的 影 响 。 基 于 水 平 作 用 ， 结 构 高 宽 比 的 减 小 会 增 加 结 构 的 形 变 概 率 ， 且 其 形 变 程 度 会 逐 渐 向 剪 切 形 变 靠 拢 。 在 这 种 情 况 下 ， 翼
缘 框 架 在 倾 覆 力 矩 方 面 的 承 受 力 较 为 薄 弱 ， 无 法 充 分 发 挥 框 筒 结 构 的 工 作 特 性 。 反 之 ， 随 着 结 构 高 宽 比 的 增 大 ， 整 体 侧 移 角 度 和
层 间 偏 移 角 度 均 有 所 提 高 ， 这 为 筒 体 效 应 的 发 挥 提 供 了 较 好 的 外 部 条 件 ， 且 能 够 有 效 防 止 剪 力 滞 后 现 象 的 出 现 。
3 核心筒的连梁设计
建 筑 框 筒 结 构 设 计 中 ， 连 梁 跨 高 比 小 、 刚 度 大 的 特 性 较 为 显 著 。 再 加 上 其 两 端 所 连 接 的 筒 体 墙 刚 度 较 大 ， 若 受 到 水 平 方 向 的
荷 载 ， 连 梁 的 受 力 不 断 增 加 ， 建 筑 框 筒 结 构 的 设 计 难 度 提 升 。 建 筑 结 构 设 计 过 程 中 ， 连 梁 通 常 被 视 为 耗 能 构 件 。 为 确 保 该 结 构 设
计 拥 有 较 好 的 抗 震 性 能 ， 需 要 增 加 连 梁 的 延 展 性 与 耗 能 能 力 。
在 水 平 力 作 用 下 ，连 梁 的 破 坏 形 态 与 其 跨 高 比 息 息 相 关 ，二 者 之 间 成 正 比 。即 跨 高 比 越 高 ，连 梁 的 破 坏 形 态 越 大 ，延 展 性 越 好 。
若 跨 高 比 较 小 ， 容 易 发 生 剪 切 变 形 ， 相 较 于 跨 高 比 较 大 情 况 下 的 延 性 ， 其 脆 性 更 加 突 出 。 而 在 地 震 发 生 的 时 候 ， 建 筑 结 构 发 生 弯
曲 破 坏 更 能 够 减 少 对 建 筑 本 身 的 影 响 ， 因 此 ， 建 筑 核 心 筒 连 梁 设 计 需 要 重 点 关 注 连 梁 跨 高 比 ， 使 其 保 持 在 较 高 水 平 更 有 助 于 抗 震
性 能 发 挥 。
除 此 以 外 ， 核 心 筒 连 梁 设 计 还 需 要 遵 循 以 下 原 则 ： 首 先 ， 要 避 免 单 一 连 梁 的 布 置 ， 需 要 结 合 建 筑 本 身 的 性 能 将 强 弱 连 梁 结 合
在 一 起 ； 其 次 ， 为 了 提 高 核 心 筒 的 抗 扭 强 度 ， 必 须 加 强 核 心 筒 周 边 连 接 梁 的 结 构 设 计 ， 并 适 当 弱 化 内 连 梁 ； 最 后 ， 采 用 搁 置 周 边
框 架 梁 等 措 施 ， 可 以 降 低 连 梁 承 受 集 中 荷 载 的 可 能 。 具 体 建 设 过 程 中 ， 连 梁 高 度 、 跨 度 会 受 到 多 种 外 部 因 素 的 影 响 ， 如 建 筑 平 面
尺 寸 等 。 因 此 ， 需 要 相 关 工 作 人 员 结 合 工 程 实 际 ， 对 连 梁 跨 高 比 等 进 行 合 理 设 计 。
4 大开洞剪力墙模型设计
在 联 肢 墙 结 构 设 计 过 程 中 ， 若 孔 洞 较 大 ， 且 连 梁 的 刚 度 和 墙 肢 的 刚 度 保 持 在 同 一 水 平 ， 可 以 采 用 壁 框 的 解 析 方 法 来 进 行 内 力
和 位 移 的 计 算 。 一 般 情 况 下 ， 当 符 合 以 上 条 件 时 ， 联 肢 墙 的 结 构 性 能 与 框 架 性 能 基 本 相 当 ， 但 联 肢 墙 结 构 有 宽 梁 宽 柱 ， 因 此 不 能
被 认 为 是 普 通 的 杠 杆 系 统 。 联 肢 墙 的 梁 、 墙 相 交 的 区 域 变 形 程 度 较 小 ， 交 接 面 积 大 ， 可 称 之 为 刚 域 。 基 于 此 ， 可 将 联 肢 墙 简 化 为
带 刚 域 的 变 截 面 杠 件 ， 假 设 刚 域 部 分 未 出 现 形 变 ， 就 可 以 称 作 壁 式 框 架 。 此 时 可 采 取 以 下 两 种 方 式 进 行 分 析 、 计 算 。 其 一 ， 利 用
杆 系 有 限 元 方 法 计 算 位 移 和 内 力 的 变 化 情 况 。 除 杆 件 刚 度 矩 阵 外 ， 其 他 与 按 通 用 框 架 的 计 算 方 法 相 同 。 程 序 计 算 过 程 中 ， 需 要 对
杠 件 的 剪 切 形 变 及 轴 向 形 变 进 行 考 量 。 其 二 ， 采 用 D 值 方 法 进 行 计 算 。 即 仅 调 整 杆 件 刚 度 ， 其 余 均 按 常 规 的 D 值 方 法 执 行 ， 最 后
确 定 反 弯 点 的 高 度 。 该 计 算 方 法 不 需 要 对 轴 向 变 形 进 行 考 虑 [ 4 ]。
为 了 对 轴 向 变 形 对 大 开 洞 剪 力 墙 在 竖 向 荷 载 作 用 、 水 平 荷 载 作 用 下 的 内 力 影 响 、 变 形 影 响 进 行 研 究 ， 本 文 对 目 前 实 际 结 构 的
普 遍 高 度 范 围 进 行 了 研 究 ， 最 终 选 择 1 0 层 、 2 0 层 、 3 0 层 作 为 计 算 条 件 之 一 。 竖 向 荷 载 、 水 平 均 布 荷 载 等 的 取 值 均 是 按 照 结 构 实
际 受 力 情 况 估 算 所 得 。 此 外 ， 假 设 该 建 筑 结 构 设 计 材 料 主 要 是 C 3 0 级 混 凝 土 ， 其 弹 性 模 量 为 E = 3 0 G P a ， 剪 切 模 量 为 G = 1 2 . 5 G P a 。
4.1 轴向变形对大开洞剪力墙在竖向荷载作用下的内力影响
本 文 通 过 有 限 杆 单 元 程 序 对 竖 向 均 布 荷 载 作 用 下 的 单 片 大 开 洞 剪 力 墙 结 构 进 行 计 算 ， 主 要 分 为 考 虑 柱 的 轴 向 变 形 与 不 考 虑 柱
的 轴 向 变 形 两 种 情 况 ， 取 竖 向 均 布 荷 载 q = 1 0 K N / m 。
在 轴 向 变 形 的 影 响 下 ，大 开 洞 剪 力 墙 边 柱 弯 矩 逐 渐 减 小 ，中 柱 弯 矩 提 升 ，且 随 着 楼 层 的 不 断 升 高 增 长 幅 度 也 越 来 越 大 。同 时 ，
轴 向 变 形 情 况 下 ， 大 开 洞 剪 力 墙 侧 跨 梁 外 支 座 的 负 弯 矩 、 中 跨 梁 跨 中 截 面 正 弯 矩 增 大 。 考 虑 轴 向 变 形 与 不 考 虑 轴 向 变 形 的 计 算 结
果 如 表 1 表 2 所 示 。
表 1 轴向变形对壁式框架柱端弯矩影响的百分比计算
| 总层数 | 边柱上端弯矩 | 边柱下端弯矩 | 中柱上端弯矩 | 中柱下端弯矩 |
| 30 | -86.23 | -84.01 | 58.13 | 55.21 |
| 20 | -72.71 | -72.15 | 62.30 | 58.37 |
| 10 | -36.40 | -36.32 | 48.16 | 54.10 |
| 总层数 | 边跨梁外支座弯矩 | 边跨梁内支座弯矩 | 中跨梁支座弯矩 | 中跨梁跨中弯矩 |
| 30 | 36.86 | 79.45 | -40.50 | 26.05 |
| 20 | 42.07 | 96.68 | -40.51 | 29.31 |
| 10 | 41.25 | 154.51 | -27.98 | 26.74 |
竖 向 位 移 ，标 准 层 受 力 与 分 层 法 中 只 带 一 层 横 梁 的 框 架 相 似 ，每 一 层 梁 和 柱 内 力 都 是 相 同 的 ，且 并 不 会 随 着 房 屋 高 度 的 变 化 而 变 化 。
当 结 构 底 层 层 高 增 大 ， 顶 层 梁 柱 节 点 的 刚 度 与 标 准 层 的 半 刚 性 节 点 产 生 显 著 差 异 。 此 时 ， 结 构 底 部 和 顶 部 内 力 会 发 生 突 变 。
2023.07 | 15
建筑结构
在 考 虑 柱 轴 向 变 形 对 壁 式 框 架 内 力 产 生 的 影 响 ，中 柱 与 边 柱 轴 向 的 形 变 程 度 并 不 相 等 ，框 架 梁 不 仅 受 到 来 自 竖 向 的 均 布 荷 载 ，
还 要 承 受 垂 直 于 杆 轴 方 向 的 相 对 线 位 移 作 用 ， 层 与 层 之 间 柱 的 轴 向 形 变 程 度 也 并 不 相 等 。 基 于 此 ， 此 时 梁 柱 内 力 图 形 会 逐 渐 由 直
线 变 为 曲 线 ， 且 会 受 到 房 屋 高 度 的 影 响 。
4.2 轴向变形对大开洞剪力墙在水平荷载作用下的变形影响
对轴向变形对大开洞剪力墙在水平荷载作用下的变形影响进行探讨同样分为不考虑柱的轴向变形和考虑柱的轴向变形两种情况。
在 轴 向 变 形 的 影 响 下 ， 大 开 洞 剪 力 墙 水 平 侧 移 增 加 ， 且 水 平 侧 移 的 增 长 幅 度 会 受 到 楼 层 的 影 响 ， 即 随 着 楼 层 的 提 升 而 变 大 。
随 着 楼 层 的 不 断 增 加 ， 最 大 层 间 位 移 所 在 的 楼 层 也 逐 渐 向 上 移 动 ， 侧 移 曲 线 渐 渐 地 由 剪 切 型 转 变 为 弯 曲 型 ， 在 不 同 形 式 的 荷 载 作
用 下 ， 其 转 变 程 度 也 存 在 一 定 差 异 。 具 体 的 计 算 结 果 如 表 3 所 示 。
表 3 轴向变形产生的顶点侧移在总的顶点侧移中的占比（%）
| 总层数 | 顶点集中荷载 | 倒三角荷载 | 水平均布荷载 |
| 30 | 52.84 | 47.59 | 44.50 |
| 20 | 33.61 | 28.47 | 26.58 |
| 10 | 11.29 | 8.64 | 7.46 |
力 产 生 的 影 响 不 同 。 1 0 层 的 最 大 百 分 比 在 3 6 . 4 0 % ～ 5 4 . 1 0 % 之 间 ， 2 0 层 的 最 大 百 分 比 范 围 为 5 8 . 3 7 % ～ 7 2 . 7 1 % ， 3 0 层 为
5 5 . 2 1 % ～ 8 6 . 2 3 % 。 由 此 可 知 ， 竖 向 载 荷 作 用 ， 轴 向 变 形 对 壁 式 框 架 内 力 的 影 响 很 大 。 因 此 ， 在 高 层 建 筑 的 设 计 中 ， 轴 向 变 形 是
一 个 不 容 忽 视 的 因 素 。
在 给 定 的 不 同 形 式 水 平 荷 载 作 用 下 ， 轴 向 变 形 产 生 的 侧 移 在 总 侧 移 中 所 占 比 例 为 ： 1 0 层 7 . 4 6 % ～ 1 1 . 2 9 % ， 2 0 层
2 6 . 5 8 % ～ 3 3 . 6 1 % ， 3 0 层 4 4 . 5 0 % ～ 5 2 . 8 4 % 。 因 此 ， 多 层 结 构 水 平 侧 移 计 算 可 忽 略 轴 向 变 形 的 影 响 。 但 在 高 层 结 构 水 平 侧 移 的 计
算 中 ， 同 样 不 可 忽 视 。
随 着 房 屋 高 度 的 不 断 增 加 ， 基 于 轴 向 变 形 的 壁 式 框 架 侧 移 曲 线 发 生 显 著 变 化 ， 逐 渐 由 最 初 的 剪 切 型 转 变 为 弯 曲 型 ， 且 在 不 同
形 式 的 荷 载 作 用 下 转 变 程 度 也 有 所 不 同 。 其 中 ， 顶 点 集 中 荷 载 作 用 下 的 转 变 程 度 较 为 明 显 ， 其 次 是 倒 三 角 荷 载 作 用 ， 最 后 ， 在 水
平 均 布 荷 载 作 用 下 ， 其 转 变 程 度 较 低 。 基 于 本 文 讨 论 的 大 开 洞 剪 力 墙 模 型 可 以 得 出 ， 顶 点 集 中 荷 载 作 用 下 1 0 层 以 上 ， 倒 三 角 荷
载 作 用 下 2 0 层 以 上 ， 水 平 均 布 荷 载 作 用 下 3 0 层 以 上 ， 最 大 层 间 侧 移 会 出 现 在 结 构 中 部 或 顶 部 。 不 仅 如 此 ， 这 一 位 置 随 着 最 大 层
间 侧 移 所 在 楼 层 的 移 动 ， 其 轴 向 变 形 所 产 生 的 层 面 侧 移 所 占 比 例 也 会 迅 速 增 加 或 降 低 。
结语
框 筒 结 构 因 其 适 应 性 和 横 向 抗 侧 力 而 被 广 泛 地 应 用 于 建 筑 设 计 中 ， 是 当 前 建 筑 设 计 高 效 使 用 的 系 统 架 构 之 一 。 为 充 分 发 挥 建
筑 框 筒 结 构 的 工 作 性 能 ， 减 少 剪 力 滞 后 效 应 的 出 现 ， 使 核 心 筒 连 梁 设 计 科 学 、 合 理 ， 需 要 对 结 构 高 度 与 高 宽 比 、 结 构 平 面 形 状 等
设 计 参 数 进 行 分 析 ， 总 结 框 筒 结 构 设 计 中 ， 在 主 构 件 刚 度 、 斜 撑 角 度 等 方 面 的 注 意 事 项 。 除 此 以 外 ， 本 文 还 通 过 算 力 计 算 对 轴 向
变 形 对 大 开 洞 剪 力 墙 受 力 性 能 产 生 的 影 响 进 行 分 析 ， 分 两 种 情 况 进 行 讨 论 ， 说 明 高 层 建 筑 框 筒 结 构 的 设 计 需 要 对 柱 的 变 形 影 响 进
行 研 究 。 基 于 微 分 方 程 对 轴 向 变 形 的 计 算 公 式 进 行 推 导 ， 最 终 得 出 内 力 计 算 可 忽 视 柱 的 轴 向 变 形 的 情 况 ， 仅 考 虑 两 根 边 柱 轴 向 变
形 的 影 响 即 可 。
参考文献
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