在側向力作用下,框筒結構的受力既相似於薄壁箱形結構,又有其自身的特點。從材料力學可知,當側向力作用於箱形結構時,箱形結構截面內的正應力均呈線性分佈,其應力圖形在翼緣方向為矩形,在腹板方向為-拉一壓兩個三角形;但當側向力作用於框筒結構時,框筒底部柱內正應力沿框筒水平截面的分佈不是呈線性關係,而是呈曲線分佈。正應力在角柱較大,在中部逐漸減小,這種現象稱為剪力滯後效應。這是由於翼緣框架中梁的剪下變形和梁、柱的彎曲變形所造成的。同時,在框筒結構的頂部,角柱內的正應力反而小於翼緣框架中柱內的正應力,這一現象稱為負剪力滯後效應。事實上,對於實腹的箱形截面,當考慮板內縱向剪下變形影響時,其橫截面內的正應力分佈也有剪力滯後或負剪力滯後的現象出現。
由於剪力滯後效應的影響,使得角柱內的軸力加大。而遠離角柱的柱子則由於剪力滯後效應僅有較小的應力,不能充分發揮材料的作用,也減小了結構的空間整體抗側剛度。為了減少剪力滯後效應的影響,在結構佈置時要採取一系列措施,如減小柱間距,加大窗裙梁的剛度,調整結構平面使之接近於正方形,控制結構的高寬比等。
在筒體結構中,側向力所產生的剪力主要由其腹板部分承擔。對於筒中筒結構,則主要由外筒的腹板框架和內筒的腹板部分承擔。外力所產生的總剪力在內外筒之間的分配與內外筒之間的抗側剛度比有關。且在不同的高度,側向力在內外筒之間的分配比例是不同的。一般來說,在結構底部,內筒承擔了大部分剪力,外筒承擔的剪力很小,例如在深圳國貿中心大廈的底層,外筒承擔的剪力佔外荷載總剪力的27%,內簡承擔的剪力佔總剪力的73%。
側向力所產生的彎矩則由內外筒共同承擔。由於外筒柱離建築平面形心較遠,故外筒柱內的軸力所形成的抗傾覆彎矩極大。在外筒中,翼線框架又佔了其中的主要部分,角柱也發揮了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及內筒腹板牆肢的區域性彎曲所產生的彎矩極小。例如在深圳國貿中心大廈的底層,為平衡側向力所產生的彎矩,外框筒柱內軸力所形成的彎矩佔50.4%,內筒牆肢軸力所形成的彎矩佔4O.3%,而外框筒柱和內筒牆肢的區域性彎曲所產生的彎矩僅佔2.7%和6.6%。
由以上的分析可以看出,在框筒結構或筒中筒結構中,儘管受到剪力滯後效應的影響,翼緣框架柱內的應力比材料力學結果要小,但翼緣框架對結構抵抗側向力仍有十分重要的作用,這說明結構仍有十分強的空間整體工作效能,從而達到節省材料,降低造價的目的。這就是框筒結構或筒中筒結構被廣泛地應用於高層建築的主要原因。
框筒結構或筒中筒結構在側向力作用下的側向位移曲線呈彎剪型。這是因為在側向力作用下,腹板框架將發生剪下型的側向位移變形曲線,而翼線框架一側受拉、一側受壓的受力狀態則將形成彎曲型的變形曲線,內筒也將發生彎曲型的變形曲線,共同工作的結果將使整個結構的側向位移曲線是彎剪型。
在高層建築中,通常每隔數層就有一個裝置層,佈置水箱、空調機房、電梯機房或安置一些其他裝置。這些裝置層在立面上一般沒有或很少有佈置門窗洞口的要求,因此,可以利用該裝置層的高度,佈置一些強度和剛度都很大的水平構件(桁架或現澆鋼筋混凝土大梁),即形成水平加強層或稱為剛性層的作用,這些水平構件既連線建築物四周的柱子,又將核心筒和外柱連線起來,可約束周邊框架和核心筒的變形,減少結構在水平荷載作用下的側移量,並使各豎向構件的變形趨於均勻,減少樓蓋結構的翹曲。這些大梁或大型桁架如與佈置在建築物四周的大型柱子或鋼筋混凝土井筒整體連線,便形成具有強大抗側剛度的巨型框架結構。這種巨型框架結構可以作為獨立的承重結構,也可作為筒體結構中的加強構件。
在側向力作用下,框筒結構的受力既相似於薄壁箱形結構,又有其自身的特點。從材料力學可知,當側向力作用於箱形結構時,箱形結構截面內的正應力均呈線性分佈,其應力圖形在翼緣方向為矩形,在腹板方向為-拉一壓兩個三角形;但當側向力作用於框筒結構時,框筒底部柱內正應力沿框筒水平截面的分佈不是呈線性關係,而是呈曲線分佈。正應力在角柱較大,在中部逐漸減小,這種現象稱為剪力滯後效應。這是由於翼緣框架中梁的剪下變形和梁、柱的彎曲變形所造成的。同時,在框筒結構的頂部,角柱內的正應力反而小於翼緣框架中柱內的正應力,這一現象稱為負剪力滯後效應。事實上,對於實腹的箱形截面,當考慮板內縱向剪下變形影響時,其橫截面內的正應力分佈也有剪力滯後或負剪力滯後的現象出現。
由於剪力滯後效應的影響,使得角柱內的軸力加大。而遠離角柱的柱子則由於剪力滯後效應僅有較小的應力,不能充分發揮材料的作用,也減小了結構的空間整體抗側剛度。為了減少剪力滯後效應的影響,在結構佈置時要採取一系列措施,如減小柱間距,加大窗裙梁的剛度,調整結構平面使之接近於正方形,控制結構的高寬比等。
在筒體結構中,側向力所產生的剪力主要由其腹板部分承擔。對於筒中筒結構,則主要由外筒的腹板框架和內筒的腹板部分承擔。外力所產生的總剪力在內外筒之間的分配與內外筒之間的抗側剛度比有關。且在不同的高度,側向力在內外筒之間的分配比例是不同的。一般來說,在結構底部,內筒承擔了大部分剪力,外筒承擔的剪力很小,例如在深圳國貿中心大廈的底層,外筒承擔的剪力佔外荷載總剪力的27%,內簡承擔的剪力佔總剪力的73%。
側向力所產生的彎矩則由內外筒共同承擔。由於外筒柱離建築平面形心較遠,故外筒柱內的軸力所形成的抗傾覆彎矩極大。在外筒中,翼線框架又佔了其中的主要部分,角柱也發揮了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及內筒腹板牆肢的區域性彎曲所產生的彎矩極小。例如在深圳國貿中心大廈的底層,為平衡側向力所產生的彎矩,外框筒柱內軸力所形成的彎矩佔50.4%,內筒牆肢軸力所形成的彎矩佔4O.3%,而外框筒柱和內筒牆肢的區域性彎曲所產生的彎矩僅佔2.7%和6.6%。
由以上的分析可以看出,在框筒結構或筒中筒結構中,儘管受到剪力滯後效應的影響,翼緣框架柱內的應力比材料力學結果要小,但翼緣框架對結構抵抗側向力仍有十分重要的作用,這說明結構仍有十分強的空間整體工作效能,從而達到節省材料,降低造價的目的。這就是框筒結構或筒中筒結構被廣泛地應用於高層建築的主要原因。
框筒結構或筒中筒結構在側向力作用下的側向位移曲線呈彎剪型。這是因為在側向力作用下,腹板框架將發生剪下型的側向位移變形曲線,而翼線框架一側受拉、一側受壓的受力狀態則將形成彎曲型的變形曲線,內筒也將發生彎曲型的變形曲線,共同工作的結果將使整個結構的側向位移曲線是彎剪型。
在高層建築中,通常每隔數層就有一個裝置層,佈置水箱、空調機房、電梯機房或安置一些其他裝置。這些裝置層在立面上一般沒有或很少有佈置門窗洞口的要求,因此,可以利用該裝置層的高度,佈置一些強度和剛度都很大的水平構件(桁架或現澆鋼筋混凝土大梁),即形成水平加強層或稱為剛性層的作用,這些水平構件既連線建築物四周的柱子,又將核心筒和外柱連線起來,可約束周邊框架和核心筒的變形,減少結構在水平荷載作用下的側移量,並使各豎向構件的變形趨於均勻,減少樓蓋結構的翹曲。這些大梁或大型桁架如與佈置在建築物四周的大型柱子或鋼筋混凝土井筒整體連線,便形成具有強大抗側剛度的巨型框架結構。這種巨型框架結構可以作為獨立的承重結構,也可作為筒體結構中的加強構件。