力学概念|结构设计中的刚柔搭配(续)

力学概念|结构设计中的刚柔搭配

在上一篇推文中讨论了，框架-核心筒结构体系中，四个角柱尺寸很大的原因，有铁子在后台留言，说理由不是很充分。本文从组合变形和剪力滞后效应两个角度再做一点补充。

(一) 组合变形

▲图1 建筑物两个方向的倾覆力矩

如果建筑受两个方向的水平荷载作用，即组合荷载，如图1所示，两个方向的倾覆力矩产生的正应力分布如图2所示。由此可知，四个角的正应力最大。

▲图2 组合荷载下的正应力分布，N-N为中性轴

(二) 剪力滞后效应

当框筒象一个支承在基础上的竖直的悬臂梁那样弯曲时，框架局部弯曲将在柱间造成很大的剪力滞后。因此，应力分布就不符合直线关系，如图3所示，离中性轴 N-N较远的柱(刚好是四个角)将承受比直线分布应力更大的应力。利用专门的软件可以精确计算。

▲图3 剪力滞后效应

基于上述两个原因，框架-核心筒结构体系的四个脚柱尺寸应该更大。

▲图4 筒中筒结构

如图4所示的框架-核心筒体系，外框架柱是均匀的，这个应该归类到筒中筒结构。筒中筒概念提供了另一种很好的设计方案。外筒的截面宽度较大，可以非常有效地抵抗倾覆力。但是，在筒上开洞会降低它抗剪的能力，特别在最下面几层。另一方面，由于内筒开洞少，可以较好地抵抗层间剪力。但是与外筒相比，内简相当细高，它抵抗倾覆并不很有效。筒中筒结构可以采用钢结构或混凝土结构，或者可以将钢和混凝土结合。例如，用混凝土井筒作为内筒，钢框架作为外筒，既可以使整个结构有效地抗弯，也有足够的抗剪刚度。