结构工程筒体结构在侧向力作用下有哪些受力特点

在侧向力作用下，框筒结构的受力既相似于薄壁箱形结构，又有其自身的特点。从材料力学可知，当侧向力作用于箱形结构时，箱形结构截面内的正应力均呈线性分布，其应力图形在翼缘方向为矩形，在腹板方向为－拉一压两个三角形；但当侧向力作用于框筒结构时，框筒底部柱内正应力沿框筒水平截面的分布不是呈线性关系，而是呈曲线分布。正应力在角柱较大，在中部逐渐减小，这种现象称为剪力滞后效应。这是由于翼缘框架中梁的剪切变形和梁、柱的弯曲变形所造成的。同时，在框筒结构的顶部，角柱内的正应力反而小于翼缘框架中柱内的正应力，这一现象称为负剪力滞后效应。事实上，对于实腹的箱形截面，当考虑板内纵向剪切变形影响时，其横截面内的正应力分布也有剪力滞后或负剪力滞后的现象出现。
由于剪力滞后效应的影响，使得角柱内的轴力加大。而远离角柱的柱子则由于剪力滞后效应仅有较小的应力，不能充分发挥材料的作用，也减小了结构的空间整体抗侧刚度。为了减少剪力滞后效应的影响，在结构布置时要采取一系列措施，如减小柱间距，加大窗裙梁的刚度，调整结构平面使之接近于正方形，控制结构的高宽比等。
在筒体结构中，侧向力所产生的剪力主要由其腹板部分承担。对于筒中筒结构，则主要由外筒的腹板框架和内筒的腹板部分承担。外力所产生的总剪力在内外筒之间的分配与内外筒之间的抗侧刚度比有关。且在不同的高度，侧向力在内外筒之间的分配比例是不同的。一般来说，在结构底部，内筒承担了大部分剪力，外筒承担的剪力很小，例如在深圳国贸中心大厦的底层，外筒承担的剪力占外荷载总剪力的27％，内简承担的剪力占总剪力的73％。
侧向力所产生的弯矩则由内外筒共同承担。由于外筒柱离建筑平面形心较远，故外筒柱内的轴力所形成的抗倾覆弯矩极大。在外筒中，翼线框架又占了其中的主要部分，角柱也发挥了十分重要的作用。而外筒腹板框架柱及内筒腹板墙肢的局部弯曲所产生的弯矩极小。例如在深圳国贸中心大厦的底层，为平衡侧向力所产生的弯矩，外框筒柱内轴力所形成的弯矩占50.4％，内筒墙肢轴力所形成的弯矩占40.3％，而外框筒柱和内筒墙肢的局部弯曲所产生的弯矩仅占2.7％和6.6％。
由以上的分析可以看出，在框筒结构或筒中筒结构中，尽管受到剪力滞后效应的影响，翼缘框架柱内的应力比材料力学结果要小，但翼缘框架对结构抵抗侧向力仍有十分重要的作用，这说明结构仍有十分强的空间整体工作性能，从而达到节省材料，降低造价的目的。这就是框筒结构或筒中筒结构被广泛地应用于高层建筑的主要原因。
框筒结构或筒中筒结构在侧向力作用下的侧向位移曲线呈弯剪型。这是因为在侧向力作用下，腹板框架将发生剪切型的侧向位移变形曲线，而翼线框架一侧受拉、一侧受压的受力状态则将形成弯曲型的变形曲线，内筒也将发生弯曲型的变形曲线，共同工作的结果将使整个结构的侧向位移曲线是弯剪型。
在高层建筑中，通常每隔数层就有一个设备层，布置水箱、空调机房、电梯机房或安置一些其他设备。这些设备层在立面上一般没有或很少有布置门窗洞口的要求，因此，可以利用该设备层的高度，布置一些强度和刚度都很大的水平构件（桁架或现浇钢筋混凝土大梁），即形成水平加强层或称为刚性层的作用，这些水平构件既连接建筑物四周的柱子，又将核心筒和外柱连接起来，可约束周边框架和核心筒的变形，减少结构在水平荷载作用下的侧移量，并使各竖向构件的变形趋于均匀，减少楼盖结构的翘曲。这些大梁或大型桁架如与布置在建筑物四周的大型柱子或钢筋混凝土井筒整体连接，便形成具有强大抗侧刚度的巨型框架结构。这种巨型框架结构可以作为独立的承重结构，也可作为筒体结构中的加强构件。