CN102162306A

CN102162306A - 一种组合塔式结构建筑体系

Info

Publication number: CN102162306A
Application number: CN 201110064526
Authority: CN
Inventors: 范重; 刘先明; 胡纯炀; 王义华; 王力
Original assignee: China Architecture Design and Research Group Co Ltd
Current assignee: China Architecture Design and Research Group Co Ltd
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-08-24

Abstract

本发明公开了一种组合塔式结构建筑体系，由两个或两个以上的等高的塔楼组合而成，相邻塔楼沿中心线呈对称设置；在所述两个塔楼组合中，塔楼之间直接通过多个连接桁架刚接；在所述两个以上的塔楼组合中，每个塔楼与其相邻的两个塔楼之间分别通过多个连接桁架刚接形成一个多边形的组合。通过在多个塔楼之间设置由连接桁架构成的连接体，形成一个组合的结构整体；相邻塔楼沿中心线对称设置，且连接桁架与各塔楼之间采取刚接的连接方式，可以使各塔楼之间协调受力，较之于单塔，层间位移角显著减小，整体抗侧能力得到大幅度提高，是一种高效能结构体系。

Description

一种组合塔式结构建筑体系

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，具体地，涉及一种组合塔式结构建筑体系。

背景技术

随着社会经济的发展，大型与超大型城市的土地资源越来越紧张，超高层建筑以其特有的地标性和极高的土地使用率成为一类重要的建筑结构形式。由于超高层建筑高度较高，风荷载与地震作用产生的水平方向的效应成为结构设计的主要控制因素，通常水平荷载引起的内力在构建中占有很大的比重，由于结构沿高度方向的形变量较大，保证建筑使用的舒适性与玻璃幕墙等围护结构的安全性至关重要。在超高层钢结构设计时，如何在增大结构的侧向刚度、控制结构层间位移角与P-Δ效应、保证结构在地震、风荷载作用下的安全性与舒适性的同时有效地控制用钢量，具有很大的现实意义。因此，开发高效能的抗侧力结构体系成为超高层钢结构设计的关键技术之一。

目前高层结构常用的结构体系主要有框架-支撑结构、框架-核心筒结构、筒中筒及束筒结构、巨型框架结构、巨型支撑结构等，其中框架筒体、筒中筒及束筒结构、巨型支撑结构等可以适用于超高层结构。框架-支撑结构的抗侧力与抗扭能力较弱，虽然利用伸臂桁架可以有效地减小结构的侧向位移，但是存在着结构侧向刚度突变、与伸臂桁架相连外柱的内力过于集中以及在建筑高宽比很大时效果不显著等问题；由于框筒类结构形式存在着明显的剪力滞后现象，结构的抗侧力效率较低；虽然巨型支撑结构的侧向刚度较大，结构的抗侧力能力主要集中于少数构件，主结构构件尺度很大，主、次构件尺度相差明显。由于超高层建筑的建造需要消耗大量的财力物力，建筑楼层面积受到使用功能与使用效率的限制，建筑高度到达一定限度时，结构的高宽比与侧向刚度已经成为主要制约因素，为了满足未来建筑向更高空间发展的需求，必须开发适用于超高层建筑的新型高效能结构体系。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种抗侧能力较强的组合塔式结构建筑体系。

实现上述目的的技术方案如下：

一种组合塔式结构建筑体系，由两个或两个以上的等高的塔楼组合而成，相邻塔楼沿中心线呈对称设置；在所述两个塔楼组合中，塔楼之间直接通过多个连接桁架刚接；在所述两个以上的塔楼组合中，每个塔楼与其相邻的两个塔楼之间分别通过多个连接桁架刚接形成一个多边形的组合。

进一步地，所述塔楼为超高层塔楼，单塔的高度和高宽比都超过规范限制。超高层塔楼指40层以上，高度100米以上的塔楼。超高层塔楼的侧向刚度是其主要制约因素，通过在多个超高层塔楼之间设置由连接桁架构成的连接体，形成一个组合的结构整体；相邻塔楼之间沿中心线呈对称设置，且连接桁架与各塔楼之间采取刚接的连接方式，可以使各塔楼之间协调受力，较之于单塔，层间位移角显著减小，整体抗侧能力得到大幅度提高。该组合塔式结构建筑体系中的各塔楼可采用框架核心筒结构、框架-支撑结构、筒中筒及束筒结构等超高层建筑常用结构体系。通过在上述结构体系的塔楼之间通过连接桁架的连接均能起到整体抗侧能力的提高。

进一步地，所述连接桁架为钢桁架。

进一步地，所述各塔楼采用框架核心筒结构，其中核心筒与外框架筒之间由伸臂桁架组成的加强层进行连接；且所述连接桁架与各塔楼的伸臂桁架连接。通过连接桁架、伸臂桁架，将各塔核心筒相联系，形成组合整体，使得结构整体呈现出巨型结构效应。

进一步地，所述连接桁架的顶部与伸臂桁架的上弦相连。在水平作用的情况下，超高层塔楼间的连接桁架的顶部受力偏大，通过将连接桁架的顶部与伸臂桁架的上弦相连，即使连接桁架的顶部处于加强层的位置，在水平受力的情况下，组合整体结构较为稳固。

进一步地，所述加强层还包括与伸臂桁架相连的腰桁架。在有水平作用力的情况下，由伸臂桁架和腰桁架组成的加强层，可以更有效地减小结构的侧向位移。

进一步地，所述组合塔式结构建筑体系适用于二塔组合、三塔组合或四塔组合。二塔组合结构在连接体方向结构抗侧能力较之于单塔大大提高。一阶振型由连接体方向平动逐渐转为非连接体方向的平动，连接体方向的周期也较单塔有了很大减小。在连接体结构部位的层间位移角小于普通楼层的层间位移角，层间位移角存在突变。三塔组合结构表现出与二塔组合结构相似的性能，设置连接体后，结构抗侧能力较之于单塔大大提高。前两阶振型分别为y方向与x方向的整体平动，周期较单塔有了很大减小，一、二阶周期非常接近，说明三塔组合结构在x轴与y轴方向的抗弯刚度非常接近。三塔组合整体结构的平面不对称性，其连接体结构的受力性能比二塔组合结构复杂，在实际工程中应该注意对连接体结构进行更为细致的分析。四塔组合结构在连接体方向所表现出来的性能与二塔组合结构非常相似。由于单塔数量增加，其整体效应体现更加明显。

进一步地，所述连接桁架为2层高、4层高、8层高或16层高。此处连接桁架层数决定连接桁架的刚度。对于二塔组合结构，随着连接桁架层数的增加，整体受力逐渐接近于巨型结构，核心筒的抗倾覆作用进一步提高，侧向刚度随之提高，层间位移角曲线有明显“收拢”的趋势，顶点位移也随着连接体层数的增加而减小。同时，随着连接桁架层数的增加，结构总重量有所增加，非连接体方向的自振周期略有增加，相应的层间位移角和顶点位移有微小增大。对于三塔组合结构，随着连接桁架层数的增加，各方向的层间位移角都有显著的减小，但其减小值呈逐渐趋缓，说明连接桁架层数达到一定数量时，对增加抗侧刚度的效果为逐渐下降。对于四塔组合结构，随着连接桁架层数的增加，外框架分担的倾覆弯矩随着减小，核心筒承担越来越大的抗侧作用，巨型结构效应提高了核心筒的利用效率，在设计中可以充分利用这个特点改善结构的经济性。

进一步地，所述二个塔楼组合中的各塔楼平面为矩形结构，连接桁架连接两个长边。由于矩形平面的短边方向的侧向刚度较低，因此连接桁架连接两个长边，以提高整体的侧向刚度。

组合塔式结构受力较之于一般的高层结构复杂很多。连接体的受力以及结构体系整体的力学性能，会随着诸多的可变因子发生改变。本发明通过对二塔组合及多塔组合进行了全面分析，研究了组合塔式结构的受力特点及影响因素，通过变化各种参数研究组合塔式结构的性能，为这一新型结构体系提供有效的设计依据：

(1)对于组合塔式结构，设置连接体使各独立塔楼形成一个整体结构，通过连接体部分的内力传递实现整体结构的协调变形。

(2)在各塔楼之间设置连接桁架后，结构侧向刚度显著提高，层间位移角大大减小，连接体部位的层间位移角明显小于其他相邻部位。

(3)随着连接桁架刚度增加，结构整体受力性能逐渐接近巨型结构，核心筒的抗倾覆作用进一步提高，侧向刚度不断提高，层间位移角逐渐减小。

(4)二塔、三塔及以上组合结构具有相似的特性。单数塔楼的组合塔式结构，其连接体桁架受力性能比双数塔楼的组合塔式结构复杂。

(5)连接桁架对组合塔式结构的作用至关重要，需要对其在各种荷载与作用下的安全性进行详细的分析，确保其安全性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)组合塔式结构形式新颖，是一种全新的结构理念，是对现有超高层结构体系的极大丰富，有利于节能省地，提高材料利用率。

(2)用连接桁架将各自独立的单塔相连接形成巨型结构，极大地增强了结构的整体抗倾覆能力；克服了现有技术中的超高层建筑形式存在的缺陷，侧向刚度大，扭转效应小，外柱内力集中和剪力滞后效应不明显，并且结构构件尺度较为均匀。具有结构形式简明，受力合理，外形美观的特点。

(3)突破了传统单体结构高宽比限值，为超高层结构向更大的高度发展提供了巨大的空间。

(4)各单塔之间的连接体部分可以作为各塔楼之间的联络通道与公共空间使用。

(5)楼层平面由多个单塔平面组成，每个单塔作为独立的防火分区，充分享受阳光与新鲜空气，提高了建筑档次，生活品质得以大大改善。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是二塔组合立面图；

图2是二塔组合的楼层平面图；

图3～图6是二塔组合分别设置2层、4层、8层、16层连接桁架的立面图；

图7是三塔组合立面图；

图8是三塔组合的楼层平面图；

图9～图12是三塔组合分别设置2层、4层、8层、16层连接桁架的立面图；

图13是四塔组合立面图；

图14是四塔组合的楼层平面图；

图15～图18是四塔组合分别设置2层、4层、8层、16层连接桁架的立面图；

图19二塔组合三维图；

图20三塔组合三维图；

图21四塔组合三维图。

图中：1-连接桁架，2-伸臂桁架，3-核心筒，4-外框架筒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

对于超高层建筑侧向荷载为主要控制因素，因此本发明实施例1～3的测试条件如下(主要分别考虑风荷载和地震作用在水平方向上的作用力)：

(1)风荷载

1)基本风压：0.55kN/m²

2)地面粗糙度B类

(2)地震作用

1)地震烈度：7度

2)影响系数最大值α_max：0.08

3)场地特征周期Tg：0.65s

实施例1 二塔组合结构体系

如图1、2、19所示，二塔组合结构体系由两个对称设置的超高层塔楼组成，地面以上136层，层高4.0m，建筑总高度544m；单塔建筑平面呈矩形，采用框架核心筒结构体系，外框架柱距为10m，共设有8道由伸臂桁架2与腰桁架(图中未示出)组成的水平加强层用于连接核心筒3与外框架筒4。单塔短边方向高宽比达13.6，长边方向高宽比为9.07，大大超过规范限制，属于非常高柔的建筑。为了改善建筑在短边方向的性能，将两个单塔在长边之间分别在沿竖向的四个部位均匀设置4道连接桁架1，采用刚接方式进行连接。其中连接桁架1的顶部与伸臂桁架2的上弦相连。连接桁架1的跨度为20m。连接桁架1采用钢结构，钢材材质为Q345。

在相应测试条件下，先进行单塔计算，侧向载荷作用下的最大层间位移角为1/150，远远满足不了规范层间位移角不大于1/500的限值要求。然后在二塔组合情况下，改变连接桁架的层数(决定连接桁架的刚度)，分别为2层(如图3所示)、4层(如图4所示)、8层(如图5所示)、16层(如图6所示)，侧向荷载作用下的最大层间位移角分别为1/449，1/648，1/973，1/1285，可以看出连接体的设置和单体的区别，设置2层、4层、8层、16层连接体后的效能提升分别为66％、77％、85％及88％。

实施例2 三塔组合结构体系

如图7、8、20所示，三塔组合结构体系由3个超高层塔楼组成，相邻塔楼对称设置，地面以上136层，层高4.0m，建筑总高度544m；整体建筑平面呈三角形，各单塔采用框架核心筒结构体系，外框架柱距为7.8m，每个单塔均由核心筒3为边长11.5m的六边形和外框架筒4为边长23m的六边形的双筒构成，共设有8道由伸臂桁架2与腰桁架(图中未示出)组成的水平加强层用于连接核心筒3和外框架筒4。在各个单塔之间分别在沿竖向的四个部位均匀设置4道连接桁架1，采用刚接方式进行连接。其中连接桁架1的顶部与伸臂桁架2的上弦相连。连接桁架1的平均跨度为20m。连接桁架1采用钢结构，钢材材质为Q345。

在相应测试条件下，先进行单塔计算，侧向载荷作用下的最大层间位移角为1/180，远远满足不了规范层间位移角不大于1/500的限值要求。然后在三塔组合情况下，改变连接桁架的层数(决定连接桁架的高度)，分别为2层(如图9所示)、4层(如图10所示)、8层(如图11所示)、16层(如图12所示)，侧向荷载作用下的最大层间位移角分别为1/359，1/505，1/674，1/854，设置2层、4层、8层、16层连接桁架和单塔的情况相比，最大层间位移角减少达50％，64％，73％，79％，说明组合结构体系在性能优越性上相对单体非常突出。

实施例3 四塔组合结构体系

如图13、14、21所示，四塔组合结构体系由四个对称设置的超高层塔楼组成，地面以上136层，层高4.0m，建筑总高度544m。单塔建筑平面呈正方形采用框架核心筒结构体系，外框架柱距为10m，共设有8道由伸臂桁架2与腰桁架(图中未示出)组成的水平加强层用于连接核心筒3与外框架筒4。单塔X方向高宽比达13.6，Y方向高宽比为9.07，大大超过规范限制，属于非常高柔的建筑。在相邻各个单塔之间分别别在沿竖向的四个部位均匀设置4道连接桁架1，采用刚接方式进行连接。其中连接桁架1的顶部与伸臂桁架2的上弦相连。连接桁架1的平均跨度为20m。连接桁架1采用钢结构，钢材材质为Q345。

在相应测试条件下，先进行单塔计算，侧向载荷作用下的最大层间位移角为1/139，远远满足不了规范层间位移角不大于1/500的限值要求。然后在四塔组合情况下，改变连接桁架的层数，分别为2层(如图15所示)、4层(如图16所示)、8层(如图17所示)、16层(如图18所示)，侧向荷载所用下的最大层间位移角分别为1/457，1/620，1/781，1/1107，设置两层连接桁架和单塔的情况相比，层间位移角减少达69％，体系整体受力性能优良，抗倾覆能力和侧向刚度随着连接桁架层数的增加，侧移有进一步减小趋势，到16层时减少了87.5％，充分显示了体系的优越性。只是随着连接体层数的增加性能提升速度相对下降，应考虑实际设计需要和经济性来决定连接体层数的合理设置。

上述实施例仅以框架核心筒结构为例进行说明，本发明的组合塔式结构建筑体系的单塔结构还可以为任何适合超高层建筑的结构体系，只要根据实际工程需要，在各塔之间设置连接桁架组成一个巨型结构即可实现本发明的效果。本领域技术人员根据实际工程的需要，可以调节连接桁架的数量、设置高度、跨度等参数，使连接桁架符合安全性要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种组合塔式结构建筑体系，其特征在于，由两个或两个以上的等高的塔楼组合而成，相邻塔楼沿中心线呈对称设置；在所述两个塔楼组合中，塔楼之间直接通过多个连接桁架刚接；在所述两个以上的塔楼组合中，每个塔楼与其相邻的两个塔楼之间分别通过多个连接桁架刚接形成一个多边形的组合。

2.根据权利要求1所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述塔楼为超高层塔楼。

3.根据权利要求1所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述连接桁架为钢桁架。

4.根据权利要求1所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述各塔楼采用框架核心筒结构，其中核心筒与外框架筒之间由伸臂桁架组成的加强层进行连接；且所述连接桁架与各塔楼的伸臂桁架连接。

5.根据权利要求4所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述连接桁架的顶部与伸臂桁架的上弦相连。

6.根据权利要求4所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述的加强层还包括与伸臂桁架相连的腰桁架。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述连接桁架为2层高、4层高、8层高或16层高。

8.根据权利要求1所述的组合塔式结构建筑体系，其特征在于，所述二个塔楼组合中的各塔楼平面为矩形结构，连接桁架连接两个长边。