框筒结构剪力滞后分析

英文名称：SectionDayton-MuLeightoneffect 简单的说：墙体上开洞形成的空腹筒体又称框筒，开洞以后，由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后现象。

剪力滞后现象使框筒结构的角柱应力集中。

目录例子效应特点忽略剪力滞效应造成的事故大跨度薄壁箱梁剪力滞效应编辑本段例子如：在结构设计中往往全长加密角柱箍筋，目的之一就是增加角柱的抗剪能力，增加延性。

1、剪力滞后现象越严重，框筒结构的整体空间作用越弱；2、剪力滞后的大小与梁的刚度、柱距、结构长宽比等有关。

梁刚度越大、柱距越小、结构长宽比越小，剪力滞后越小；3、框筒结构的整体空间作用只有在结构高宽较大时才能发挥出来。

此外梁柱的刚度比、平面形状及建筑物高宽比对剪力滞后影响很大。

概念设计时一定考虑全编辑本段效应特点剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象。

剪力滞后，有时也叫剪切滞后，从力学本质上说，是圣维南原理，它严格地符合弹性力学的三大方程，即几何方程、物理方程、平衡方程。

具体表现是，在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后。

剪力滞后效应通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中如筒结构和箱梁，在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。

在结构水平力作用下，主要反应是一种应力不均匀现象，柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形，从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移，从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等：远离腹板框架的柱轴力越来越小，翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形，同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。

这就是一种剪力滞后效应。

当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。

编辑本段忽略剪力滞效应造成的事故忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致不安全：如1969－1971年在欧洲不同地方相继发生了四起箱梁失稳或破坏事故。

框筒结构剪力滞后研究现状与思考框筒结构是一种常见的建筑结构形式，具有较高的承载能力和结构稳定性。

然而，在地震或其他动力荷载作用下，框筒结构容易产生剪力滞后现象，导致结构损伤甚至倒塌。

因此，对框筒结构剪力滞后问题进行深入研究具有重要意义。

本文将概述框筒结构剪力滞后的研究现状，并提出一些思考和展望。

框筒结构剪力滞后是指在外力作用下，框筒结构的剪力传递过程中出现的滞后现象。

这种现象主要是由于框筒结构的周期性变化和相互作用引起的。

国内外学者对框筒结构剪力滞后问题进行了广泛研究，并提出了一系列计算模型和数值模拟方法。

目前，框筒结构剪力滞后的研究主要集中在理论模型建立和数值模拟分析两个方面。

理论模型主要从宏观角度出发，基于能量守恒原理和力学平衡条件，采用数学方法描述剪力滞后现象。

数值模拟方法则通过有限元分析、有限差分等方法对框筒结构的动力响应进行模拟，进一步分析剪力滞后现象。

虽然已有研究表明框筒结构剪力滞后现象的存在和影响，但在实际工程应用中仍存在许多问题。

现有模型和算法主要针对特定类型的框筒结构，普适性有待提高；框筒结构剪力滞后现象受多种因素影响，如结构形式、材料性质、荷载条件等，如何全面考虑这些因素并建立精确模型是一个挑战；如何将现有研究成果应用于实际工程中，提高框筒结构的抗震性能和可靠性，也是亟待解决的问题。

完善现有模型：在理论模型方面，需要进一步完善和修正现有模型，提高其普适性和精确性。

例如，可以考虑引入非线性因素，如材料非线性、几何非线性等，以更准确地描述框筒结构的剪力滞后现象。

发展高效算法：在数值模拟方面，需要发展更为高效和可靠的计算算法，以提高模拟的效率和精度。

例如，可以采用高阶有限元方法、时域有限差分方法等先进的数值计算方法，以满足实际工程中对计算效率和精度的要求。

实验验证：开展相关实验，对理论模型和数值模拟结果进行验证，以便更好地将研究成果应用于实际工程中。

可以通过制作缩尺模型、振动台实验等方式，对不同类型和规模的框筒结构进行测试和分析，以检验模型的准确性和有效性。

简中简结构简化分析方法综述城市的不断发展意味着超高层建筑的需求与过去相比有了明显的增加，为了保障建筑的质量，对于技术层面上的要求当然也就比过去更高。

筒中筒结构因其自身优良的性能，良好的抗风性与抗震性，而被广泛的应用在超高层建筑结构中。

本文概述了筒中筒结构的剪力滞后效应，随后介绍了筒中筒结构的简化分析方法，最后指出筒中筒结构分析还不够透彻，仍需要更多的研究。

标签：筒中筒结构；剪力滞后；简化分析方法1、引言筒中筒结构体系是超高层建筑结构中常用的一种结构体系，这种结构体系是由外框筒和核心筒组成，其核心筒通常是钢筋混凝土剪力墙和连梁组成的薄壁筒，而外筒主要是密柱和群梁组合而成的框筒。

由于筒中筒结构在超高层建筑中应用非常广泛，这种结构的分析方法也得到了广泛重视。

本文将对筒中筒结构的分析方法进行探讨。

2、筒中筒结构的剪力滞后效应框筒可以看成是开了口的实腹筒，但两者的受力状态和变形有很大差别。

实腹筒在水平荷载下受弯时，由于腹板的竖向抗剪刚度极大，几乎不使腹板产生竖向剪切变形，因而实腹筒受弯时各水平截面并不出现任何翘曲而保持平截面，而框筒裙梁虽然高跨比大，但竖向弯剪刚度仍然有限。

框筒在抵抗倾覆力矩时，水平截面的竖向应变不再符合平截面假定，称为“剪力滞后效应”即框筒的腹板框架和翼缘框架在角区附近的应力大于实腹筒体，而在中间部分的应力均小于实腹筒体。

3、筒中筒结构简化分析方法近些年来，随着科学技术的发展，计算机性能有了明显的提高，筒中筒结构的简化分析方法得到了较好的发展，与其他方法相比，具有良好的通用性和精确性，在筒中筒结构进行精确分析或设计验算有较高的参考价值。

3.1等效连续体法文献将外框筒等效为四角加强的等效实体筒，计及弯曲和剪切变形，内筒考虑为1根弯剪杆件。

由内外筒在各楼层处水平位移相等的条件建立变形协调微分方程，同时利用边界和协调条件求解水平位移的解析解，进而计算出内外筒的内力。

文献用分段等厚的各向异性连续体弹性等效原结构的外框筒，用余能原理求外筒的柔度矩阵。

框筒结构剪力滞后分析摘要：对框筒结构剪力滞后效应的研究是充分理解框筒结构的工作性能, 优化结构设计所必需的。

通过对剪力滞后效应的特点进行分析找出影响因素，然后根据分析的结论再设计时候采取措施减小剪力滞后对框筒结构的影响。

关键词：框通结构剪力滞后角柱1、框筒结构的剪力滞后现象框筒结构在水平荷载作用下, 截面变形不再符合初等梁理论的平截面假定, 腹板和翼缘的正应力不像传统的受弯构件的直线分布, 而是曲线分布, 这个现象就是框筒结构中的剪力滞后效应。

框筒形成空间框架作用，其中角柱产生三维应力，是形成框筒结构空间作用的重要构件;各层楼板形成隔板，它们保持框筒平面形状在水平荷载作用下不改变，楼板也是形成框筒空间作用的重要构件。

剪力滞后存在着两种不同的形式, 一种是正剪力滞后,另一种是负剪力滞后( 图1)。

正剪力滞后一般出现在框筒结构的中下部, 而负剪力滞后出现在框筒结构的中上部。

2、剪力滞后效应内力分析与水平力方向平行的腹板框架一端受拉，另一端受压。

翼缘框架受力是通过与腹板框架相交的角柱传递过来的角柱受压力缩短，使与它相邻的裙梁承受剪力(受弯)，同时相邻柱承受轴力第二根柱子受压又使第二跨裙梁受剪(受弯)，相邻柱又承受轴力，如此传递，使翼缘框架的裙梁、柱都承受其平面内的弯矩、剪力与轴力(与水平作用方向相垂直)由于梁的变形，使翼缘框架各柱压缩变形向中心逐渐递减，轴力也逐渐减小;同时，受拉的翼缘框架也产生轴向拉力的剪力滞后效应腹板框架的剪力滞后现象也是由于裙梁的变形造成的，使角柱的轴力增大。

由于翼缘框架各柱和窗裙梁的内力是由角柱传来，其内力和变形都在翼缘框架平面内，腹板框架的内力和变形也在它的平面内，这是框筒在水平荷载作用下内力分布形成“筒”的空间特性。

通常，在框筒结构中要尽量减少框筒柱平面外的弯矩和剪力，使框筒受力和传力更加明确直接，除角柱外，其他柱子主要是单向受压弯，受力性能较好。

3、变形特征框筒结构的变形由两部分组成。

型钢剪力滞后效应是指在高层钢结构或者大型桥梁结构中，由于采用型钢作为抗侧力结构，导致在水平荷载作用下，结构侧向刚度降低、层间位移增大的一种现象。

这种现象的出现，会对结构的承载力和稳定性产生影响，因此需要进行深入的分析和研究。

一、型钢剪力滞后效应的产生原因型钢剪力滞后效应的产生，主要是由于型钢的抗剪承载力较低，导致在水平荷载作用下，结构的侧向变形较大，从而引起层间位移的增大。

具体来说，型钢剪力滞后效应的产生原因可以分为以下几个方面：结构体系的影响：高层钢结构或大型桥梁结构通常采用框架或框筒结构体系，这些体系在水平荷载作用下，容易产生弯曲变形，导致结构侧向刚度降低，从而引发型钢剪力滞后效应。

型钢材料的特性：型钢是一种高强度钢材，其抗拉、抗压和抗剪强度都很高，但是其剪切性能较差，抗剪承载力较低。

因此，在水平荷载作用下，型钢容易发生剪切变形，导致侧向刚度降低。

节点连接方式的影响：高层钢结构或大型桥梁结构的节点连接方式对型钢剪力滞后效应也有影响。

节点连接方式的不合理或者节点连接强度的不足，会导致结构整体刚度降低，从而加剧型钢剪力滞后效应。

施工误差的影响：在高层钢结构或大型桥梁结构的施工过程中，由于施工误差或者安装误差，可能会导致结构构件的垂直度、平整度等参数不符合设计要求，从而影响结构的承载力和稳定性，进一步加剧型钢剪力滞后效应。

二、型钢剪力滞后效应的影响因素型钢剪力滞后效应的影响因素主要包括以下几个方面：结构高度：随着结构高度的增加，结构的侧向刚度逐渐降低，层间位移逐渐增大，从而导致型钢剪力滞后效应的加剧。

因此，在高层钢结构或大型桥梁结构的设计中，应合理控制结构的高度。

结构跨度：随着结构跨度的增加，结构的侧向刚度也会降低，从而导致型钢剪力滞后效应的加剧。

因此，在大型桥梁结构的设计中，应合理控制结构的跨度。

水平荷载大小：水平荷载的大小直接决定了结构的侧向变形程度。

随着水平荷载的增大，结构的侧向变形逐渐增大，从而导致型钢剪力滞后效应的加剧。

框筒结构的剪力滞后效应研究框筒结构是指在建筑外周布置密柱深梁形成的三维筒体结构体系，它可以充分发挥结构的空间作用，抗侧与抗扭刚度均较大，早期被广泛应用于超高层建筑中，如83层的标准石油大厦（Standard Oil）。

框筒的概念最早由SOM的法兹勒·凯恩（Fazlur Khan）提出，并被应用于芝加哥43层的切斯纳特公寓大楼中。

通过在建筑物周边设置柱间距较小（3~5m），且裙梁高度较大（1~1.5m）的框架，使得在水平力作用下除了腹板框架可以承担部分的抗倾覆力矩外，翼缘框架由于筒的空间作用也可以承担部分倾覆力矩。

因此，与普通框架相比，框筒结构的抗侧和抗扭刚度要大得多。

但水平荷载作用下框筒结构的截面变形不再符合初等梁理论的平截面假定，腹板框架和翼缘框架的正应力不再呈直线分布而是呈曲线分布，即出现了如图1所示的剪力滞后效应。

一般来说，框筒结构底部会出现如图1a）所示的“正剪力滞后”现象，而随着楼层高度的增加，剪力滞后效应会逐渐减弱，最后到结构顶部则会出现如图1b）所示的“负剪力滞后”现象。

为了定量地区分正、负剪力滞后现象，文献[2]定义剪力滞后系数λ为考虑剪力滞后效应的柱轴压应力σ1（图1中的阴影）与按平截面假定求得的柱轴压应力σ0（图1中虚线）的比值，即λ=σ1/σ0。

当λ＜1时，为正剪力滞后；当λ＞1时，为负剪力滞后。

在框筒结构中，λ愈接近1，说明剪力滞后效应愈小，框筒的空间作用愈强。

图1 框筒结构中的剪力滞后效应影响框筒结构剪力滞后现象的因素有很多，主要包括柱距与裙梁高度（裙梁的抗弯刚度）、角柱与中柱的面积比、结构高宽比、框筒结构的平面形状、长宽比、内外筒刚度比、轴压比等。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）已经对平面形状、长宽比、洞口面积、裙梁线刚度等做出了规定，故本文不作重点研究。

值得一提的是，《高规》要求角柱截面面积取中柱截面面积的1~2倍，然而对此不同的学者有不同的看法和结论。

ABSTRACTFirstly, the influence of curvature differential equation on the lateral stiffness distribution of high-rise frame-tube structures is studied by means of theoretical analysis. In addition, shear lag is an inherent characteristic of the frame-tube structure, which weakens the spatial effect of the structure and reduces the bearing capacity of the structure. This paper analyzes the factors (floor slab) that influence the shear lag effect from a new perspective, and draws a conclusion by comparing multiple sets of models. last but not least, the structure will be damaged under the action of rare earthquakes. In this paper, the relevant indexes of plastic energy dissipation and damage of the structure are analyzed by means of numerical simulation. The main research contents are as follows:In this paper, the plane flexural stiffness considering shear lag is introduced, and the variation law of the continuous lateral stiffness is analyzed by combining the differential equation of bending moment and curvature. The influence of the variation law of the lateral stiffness along the height on the lateral deformation of the structure under the elastic state is discussed.Previous literature mainly focused on the analysis of shear lag effect of frame-tube structure at the component level, and neglected the role of floor slab without considering the synergy of various components. The effect of floor slab is similar to the effect of mantang foundation on uneven settlement of foundation. Under the same condition, the edge warping of floor slab with different thickness is different. Theoretical analysis shows that the lag effect of shear force can be reduced when the floor slab reaches a certain thickness. In this paper, the influence of different plate thickness models on shear lag is analyzed.Using ABAQUS finite element analysis. the material model of concrete and steel are described in detail as well as the unit type, Seismic waves are selected according to the ing seismic waves to analyze plastic energy dissipation of structures under severe earthquake , and even the beam damage law, with PGA, AI index, earthquake with three parameters and specification methods to analyze the relationship and structural damage.The significance of this study lies in the systematic analysis of the factors influencing the structural performance and the elastic-plastic performance of the structure under the action of rare earthquakes from both·internal and external factors. The Internal causes can be concluded: In order to reduce the shear lag effect theivstiffness distribution of the structure itself should be gradually reduced from bottom to top according to the rule of cubic curve, and the uneven warping of the floor can be reduced by increasing the thickness of the floor. External causes are attributed to: the greater the peak acceleration of seismic waves are, the greater the energy input into the structure are causing greater damage to the structure. Besides, with the same peak acceleration, the shorter the effective duration of seismic waves are the greater the instantaneous input energy are and the adverse effect have on the structure ,which leads to the dispersion of time-history analysis structure.Key words: Frame tube structure，Lateral stiffness，The shear lag，Energy consumption ，Finite element analysisv目 录独创性声明 (i)关于论文使用授权的说明............................................................................................ i i 中文摘要................................................................................................................. i ii ABSTRACT ...................................................................................................................... i v 1. 绪论 (1)1.1 立题背景、研究意义及当下研究现状 (1)1.1.1 立题背景 (1)1.1.2 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 高层结构体系分类 (3)1.4 当代我国高层的发展趋势和特点分析 (6)1.4.1 发展趋势 (6)1.4.2 高层结构的特点 (7)1.5 本文主要内容 (8)1.5.1 研究方法 (8)1.5.2 主要工具 (8)1.5.3 本文主要工作 (8)2. 变截面框筒的受力变形分析 (10)2.1 前言 (10)2.2 变截面框筒性能分析 (10)2.2.1 框筒的变形规律 (10)2.2.2 受弯承载力分析 (11)2.2.3 剪力滞后的浅析 (12)2.2.4 轴压比分析 (12)2.3 结构的变形分析 (13)2.3.1 弹性状态下的分析模型 (14)2.3.2 荷载效应 (16)2.4变截面框筒受力分析 (18)2.4.1 等效封闭筒壁厚线性变化的框筒结构受力分析 (18)2.4.2等效封闭筒壁厚二次变化的框筒结构分析 (22)2.4.3 等效封闭筒壁厚三次变化的框筒结构分析 (23)2.4.4 等效封闭筒壁厚不变的框筒结构分析 (25)2.5变截面框筒变形分析 (26)vi2.5.1 框筒结构顶点侧移计算 (26)2.5.2 框筒结构顶点位移角计算 (34)2.6 本章小结 (40)3. 框筒结构的剪力滞后分析 (42)3.1 前言 (42)3.2 剪力滞后理论分析方法 (42)3.2.1 基于能量的变分原理分析 (42)3.2.2 剪力滞后简化计算方法 (44)3.3 剪力滞后的机理分析 (44)3.4 剪力滞后相关因素分析 (46)3.4.1 剪力滞后因素分析 (46)3.4.2 楼板厚度对剪力滞后影响分析 (47)3.5 总结 (52)4. 框筒结构时程分析以及耗能损伤研究 (54)4.1 前言 (54)4.2 基本信息 (55)4. 2.1 研究方法 (55)4.2.2 地震波的选择 (56)4.2.3 选用材料模型 (60)4.2.4 钢筋与混凝土的共同作用 (62)4.2.5 时程分析理论 (63)4.3 有限元分析 (64)4.3.1 前言 (64)4.3.2 有限元模型 (64)4.3.3 罕遇地震荷载 (65)4.4 结构耗能能力影响分析 (66)4.4.1 时程分析结果 (66)4.4.2 时结构损伤分布 (67)4.5 连梁截面高度对结构的耗能影响 (69)4.5.1 塑性耗能 (70)4.5.2 损伤分布 (71)4.6 改变连梁分布对结构耗能的影响分析 (72)4.6.1 与幅值相关强度指标 (72)4.6.2 与耗能相关的强度指标 (74)4.6.3 有效持时影响分析 (75)4.7 本章小结 (76)vii5. 结论与展望 (77)5.1 结论 (77)5.2 展望 (77)参考文献 (78)致谢 (82)viii11. 绪论1.1 立题背景、研究意义及当下研究现状1.1.1 立题背景我国是人力资源丰富的大国，近年随着国家整体经济地腾飞，城市化发展迅速，一些大型城市出现了所谓的“城市病”，城市土地资源日益稀缺，但是大城市的聚集效应使得大量的人口涌入城市，这就催生了社会对于高层建筑的迫切需求，框筒结构作为高层结构形式之一逐渐受到青睐。

框筒结构剪力滞后的影响及其分析在近几年高层以及超高层建筑的设计与建造过程中，框筒结构得到广泛的应用，但是框筒结构因其特有的体系特点在实际应用中依旧存在一些设计理念的问题。

在本文中主要针对剪力滞后对框筒结构的影响及如何处理等相关问题进行分析与研究，为今后类似问题的研究提供一定的借鉴与指导意义。

标签：框筒结构；剪力滞后；弹性力学1 相关概念简述框筒结构因其有着良好的空间整体性能，建筑布局较为灵活，在高层以及超高层建筑中得到广泛的应用。

外筒是由密排的柱在每层楼板平面由窗裙梁和墙梁连接起来的空腹筒，受力较为复杂，在横向力作用下，因为梁的柔性，会产生明显的剪力滞后效应。

剪力滞后后效应通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中如筒结构和箱梁，在这些结构中通常把整体结构看成一个箱形的悬臂构件。

当结构水平力作用下，主要反应是一种应力不均匀现象，柱子之间的横梁会产生沿着水平力方向的剪切变形，从而引起弯曲时远离肋板的翼板的纵向位移滞后于肋板附近的纵向位移，从而使得翼缘框架中各柱子的轴力不相等：远离腹板框架的柱轴力越来越小，翼缘框架中各柱轴力呈抛物线形，同时腹板框架中柱子的轴力也不是线性规律。

这就是一种剪力滞后效应。

当翼板与腹板交接处的正应力大于按初等梁的计算值，称为正剪力滞后，反之为负剪力滞后。

忽略剪力滞后带来的影响，就会低估翼板与腹板交接处的应力与变形，从而带来不安全。

由此可见，剪力滞后对于建筑安全非常重要，必须及时的分析与解决。

2 理论方法目前，对框筒结构剪力滞后效应分析方法有翼缘展开法，等效平面法，等效连续体法，以及一些基于有限元软件的ANSYS，SAP2000的分析方法，本文将框筒结构简化为一竖向连续的悬臂箱梁，将三维问题退化为一维问题，减少计算复杂性，满足工程分析。

影响框筒剪力滞后现象的因素很多，主要有梁柱刚度比，建筑物高宽比，平面形状等，本文着重讨论框筒结构在其他条件不变的情况下，平面几何形状的变化对剪力滞后现象的影响情况。