CN107060096A - 蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，仿照蜂窝结构，将多个六边形巨型筒体结构单元集束组合在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒结构单元的数量，构成宝塔状新型超高层结构体系。超高层塔楼结构体系内部采用六边形钢管混凝土巨柱和格栅管式双钢板混凝土剪力墙构成的六边形筒体结构，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载；外部采用六边形钢管混凝土巨柱和带有斜向支撑巨型框构成的六边形框筒结构，满足超高层建筑的采光。新型的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系具有结构刚度大、立面造型丰富，简洁稳定、抗风稳定性能好、抗震能力好和施工方便等优点，可建造千米以上超高层建筑结构。

Description

蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系

技术领域

本发明涉及建筑结构工程领域，涉及一种千米级超高层建筑结构体系，具体是一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系

背景技术

随着城市人口迅速增长，超高层建筑作为一种特殊类型的建筑开始盛行，超高层建筑已成为一个国家民族精神和城市经济崛起的象征。超高层建筑作为现代建筑技术的结晶，带动了国家经济的发展，大大提高了城市化发展的程度，利用有限的土地资源创造无限的价值，这是超高层建筑产生和发展的源动力。

超高层建筑由竖向荷载与水平荷载决定结构设计，随着超高层建筑高度的增加，超高层建筑结构的轴力与高度成正比，弯矩与高度的二次方成正比，位移与高度的四次方成正比，水平荷载成为超高层建筑结构设计的决定性因素。结构侧移控制成为了超高层建筑结构设计中的非常关键的因素。超高层建筑地震破坏和倒塌的后果非常严重，必须在构造上采取合理的措施，保证超高层结构有足够的延性，超高层结构抗震延性是重要的设计指标。

建造千米级超高层建造，是人类的梦想。千米级超高层建筑必须有良好的抗风形体，必须有强大的水平向抗侧刚度和优良的抗震延性,现有的结构体系很难同时兼顾千米级超高层的结构布置和建筑功能二者要求。工程界热切期待超高层结构体系能有重大革新，亟需一种经济合理的超高层建筑结构新型体系，以便建造千米级超高层建筑结构。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，包括六边形巨型筒中筒结构单元，六边形巨型筒中筒结构单元由六边形外筒结构和六边形核心筒结构结构构成，所述的六边形外筒结构由六个沿圆周均匀分布的六边形钢管混凝土巨柱和在巨柱之间布置的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙、巨型框架梁构成；蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元的数量，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。

优选地，所述的六边形钢管混凝土巨柱包括六边形外套钢管、内置圆形钢管、连接钢板和管内混凝土，在六边形外套钢管中，放入内置圆形钢管，在六边形外套钢管对角线方向，将六块连接钢板焊接在六边形外套钢管和内置圆形钢管之间，空腔内填充管内混凝土，构成六边形钢管混凝土巨柱。

优选地，所述的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙包括双层钢板、波形钢板、槽钢端柱和混凝土填充物，双层钢板中间设置波形钢板，双层钢板的两端设置槽钢端柱，三者焊接牢固，形成带有空腔的长条形格栅管式墙板，格栅管式墙板空腔内浇筑混凝土填充物，形成格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙。

本发明还提供一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：开挖基坑，打入钢管桩，施工筏板基础，放样定位轴线，施工六边形核心筒结构，沿圆周均匀分布施工六边形钢管混凝土巨柱，巨柱之间布置格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙和巨型框架梁，形成六边形外筒结构，浇筑楼板，六边形外筒结构和六边形核心筒结构协同工作，形成六边形巨型筒中筒结构单元；

步骤二：蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元，形成集束筒体群，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元的数量，形成宝塔状超高层结构体系；

步骤三：进行伸臂桁架和避难加强层施工，安装巨型框筒的斜向支撑，分段安装体外预应力抗风拉索，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，进行内部的次框架结构施工，进行装潢施工，建造千米级超高层建筑结构。

千米级高层建筑结构承受巨大的竖向荷载和水平荷载，必须具有像山一样的坚固结构体系，必须具有良好的建筑抗风形体。仿照蜂窝结构，将多个六边形筒体结构单元集束在一起，构成宝塔状新型结构体系，形成一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，具有山一样的坚固结构骨架和良好的建筑抗风形体，可建造千米以上超高层建筑结构。新型超高层结构体系内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担竖向巨大压力并且满足轴压比要求，水平向承担大于85％的地震剪力或风荷载；外部采用带有斜向支撑巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，满足超高层建筑的采光要求。大楼中设置次框架，可以灵活布置使用空间，同时兼顾千米级超高层的结构布置和建筑功能二者要求。千米级超高层结构内部采用六边形巨型筒中筒结构和外部采用带有斜向支撑巨型框筒结构组合使用，优势互补，协同工作，形成牢固的结构体系。

蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系是建筑设计与结构创新相结合的建筑结构，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的结构，有利于降低迎风面积，减少风压力，可控制风荷载作用下的结构侧移在一定范围之内。筒体剪力墙采用格栅式双钢板混凝土组合剪力墙结构，具有结构刚度大、工业化程度高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性和耗能能力，可确保千米级高层建筑结构承受巨大的竖向荷载和水平荷载。巨型框架柱外形为六边形巨柱，可以方便地构成六边形框架筒体结构，在六边形钢管内设置圆钢管和连接钢板，双重钢管混凝土组合结构，六边形巨柱具有良好的承载能力和抗震延性。

当新型超高层建筑结构的高宽比较大的时候，为了进一步提高抗风能力，可以分段配置体外预应力抗风拉索，降低倾复力矩，降低风荷载作用下的位移效应。

有益效果：本发明的一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，具有以下有益效果：

本发明借鉴蜂窝结构的优点，将多个六边形筒体结构单元集束在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，构成宝塔状新型结构体系，形成一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。新型超高层结构体系具有结构刚度大、立面造型丰富、挺拔利索，简洁稳定、抗风形体好、抗震能力好和施工方便等优点，可建造千米以上超高层建筑结构。

现有的超高层建筑结构多数是巨型框架核心筒的结构体系，外部采用巨型框架内部采用剪力墙核心筒，一般用于600～700米超高层建筑，随着建筑高度的进一步增加，巨型框架核心筒超高层结构体系的水平向刚度不足，水平风荷载作用下结构位移太大，影响电梯正常运行，水平风荷载作用下大楼水平向摇摆位移加速度过大，大楼人员心理感觉不安全。蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系是将多个六边形筒体结构单元集束在一起，大大的提高了大楼的水平向结构刚度，可以大大减少风荷载作用下结构位移。

现有的巨型框架核心筒超高层建筑结构，为了满足抗风设计和抗震设计要求，大楼楼层平面随着斜外立面逐渐变小，导致建筑平面功能布置困难，尤其斜柱施工非常困难。蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系是建筑设计与结构创新相结合的建筑结构，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的结构，建筑立面造型丰富，挺拔利索，简洁稳定，建筑平面功能布置灵活，没有斜柱施工方便快捷。

现有的集束筒体超高层结构基本上是多个方形筒体集束在一起，抗风形体差，外筒体结构基本上是采用密集框架梁柱构成，建筑采光通风不良，密集柱梁施工比较困难；蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，抗风形体良好，内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载，外部采用巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，可满足超高层建筑的采光通风要求，设置次框架，可以灵活布置使用空间。

西尔斯大楼是典型的九格式集束筒体超高层结构，随着建筑高度的增加，逐渐减少方形筒体结构单元的数量，建筑外形变得复杂不规则，导致抗风形体差不利于抗风；蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，降低迎风面积，建筑外形始终保持良好的抗风形体，有利于降低风荷载。有利于控制风荷载作用下的结构侧移在一定范围之内。

现有的超高层结构采用普通的双钢板混凝土组合剪力墙和普通钢管混凝土组合柱，难以抵抗千米级超高层建筑结构巨大的竖向荷载和水平荷载，难以保证抗震延性。格栅式双钢板混凝土组合剪力墙和六边形外钢管圆形内钢管的双重钢管混凝土组合柱是二种新型组合结构，具有结构刚度大、抗压承载力高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性好、耗能性能好等优点，二种新型组合结构用于蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，可以保证新型超高层建筑结构抵抗巨大竖向荷载和水平荷载，可保证抗震延性要求，以便建造千米级超高层建筑结构。

附图说明

图1是本发明的1个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图2是本发明的3个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图3是本发明的7个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图4是本发明的4个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图5是本发明的10个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图6是本发明的12个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图7是本发明的19个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图8是图3中的六边形钢管混凝土巨柱示意图；

图9是图3中的的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙示意图；

图10是本发明的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构立面示意图；

图中，1-六边形巨型筒中筒结构单元；11-六边形外筒结构；12-六边形核心筒结构；111-六边形钢管混凝土巨柱；112-格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙；113-巨型框架梁；1111-六边形外套钢管；1112-内置圆形钢管；1113-连接钢板；1114-管内混凝土；1121-双层钢板；1122-波形钢板；1123-槽钢端柱；1124-混凝土填充物；2-框架剪力墙拉结构件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-图7所示，本发明的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，包括六边形巨型筒中筒结构单元1；六边形巨型筒中筒结构单元1由六边形外筒结构11和六边形核心筒结构12结构构成，所述的六边形外筒结构11由六个沿圆周均匀分布的六边形钢管混凝土巨柱111和在巨柱之间布置的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112、巨型框架梁113构成；蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元1，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元1的数量，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。

如图8所示，六边形钢管混凝土巨柱111由六边形外套钢管1111、内置圆形钢管1112、连接钢板1113和管内混凝土1114构成，在六边形外套钢管1111中，放入内置圆形钢管1112，在六边形外套钢管1111对角线方向，将六块连接钢板1113焊接在六边形外套钢管1111和内置圆形钢管1112之间，空腔内填充管内混凝土1114，构成六边形钢管混凝土巨柱111。

如图9所示，格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112由双层钢板1121、波形钢板1122、槽钢端柱1123和混凝土填充物1124构成，双层钢板1121中间设置波形钢板1122，双层钢板1121的两端设置槽钢端柱1123，三者焊接牢固，形成带有空腔的长条形格栅管式墙板，格栅管式墙板空腔内浇筑混凝土填充物1124，形成格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112。

本发明还提供一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系的施工方法，包括以下步骤：

第一步：开挖基坑，打入钢管桩，施工筏板基础，放样定位轴线，施工六边形核心筒结构12，沿圆周均匀分布，施工六边形钢管混凝土巨柱111，巨柱之间布置格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112和巨型框架梁113，形成六边形外筒结构11，浇筑楼板，六边形外筒结构11和六边形核心筒结构12协同工作，形成六边形巨型筒中筒结构单元1。

第二步：蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元1，形成集束筒体群；随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元1的数量，形成宝塔状超高层结构体系。

第三步：进行伸臂桁架和避难加强层施工，安装巨型框筒的斜向支撑，分段安装体外预应力抗风拉索，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，进行内部的次框架结构施工，进行装潢施工，建造千米级超高层建筑结构。

具体地，如图10所示，某250层超高层结构建筑，层高为5米，建筑结构总高度为1250米，采用蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的大楼结构。

新型超高层结构体系是多个六边形筒中筒结构蜂窝状集束布置在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的大楼结构。大楼中每一个六边形筒中筒单元的对边距离为50米，从大楼底部到200米，采用10个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼200到600米，采用7个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼600到800米采用4个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼800到1200米，采用1个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼1200到1250米，采用核心筒伸出楼顶。

蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载，外部采用巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，可满足超高层建筑的采光通风要求。六边形巨型筒中筒结构单元的外筒结构由六边形钢管混凝土巨柱和格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙构成；六边形框筒结构单元由六边形钢管混凝土巨柱和巨型框架梁构成。

大楼的六边形核心筒采用劲性骨架混凝土剪力墙结构，混凝土采用C80，墙厚由2.5米变化为0.5米。

本大楼的六边形钢管混凝土巨柱的六边形外套钢管对边距离由8米变为6米，钢管壁厚由50mm变为16mm，内置圆形钢管直径由4米变为3米，钢管壁厚由40mm变为12mm，六边形外套钢管和圆形内钢管之间的连接钢板厚度由40mm变为12mm，六边形钢管混凝土巨柱采用C80混凝土。

本大楼格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙的墙厚由3.0米变为1.0米，混凝土采用C80浇筑，双钢板厚度由50mm变为16mm，波形钢板厚度由30mm变为10mm，端部槽钢尺寸是响应变化。本大楼巨型框架梁采用预应力钢管混凝土桁架结构，楼板采用压型钢板混凝土楼板结构。

本大楼的4个和10个六边形筒中筒结构单元集束楼层，遇到了半个筒中筒结构，需要设置巨型的框架剪力墙拉结构件2，填补大楼立面的凹处，改善建筑抗风形体。框架剪力墙拉结构件2由巨型钢框架和组合剪力墙组成，其中组合剪力墙结构固定在下面楼层核心筒结构中，并且与保留的半个核心筒结构牢固连接。

具体地，假设某400层超高层结构建筑，层高为5米，建筑结构总高度为2000米，采用蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。

大楼中每一个六边形筒中筒单元的对边距离为60米，从大楼底部到500米，采用19个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼500到750米，采用12个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼750到1250米采用7个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼1250到1500米，采用3个六边形筒中筒结构单元集束在一起；大楼1500到2000米，采用1个六边形筒中筒结构单元。

大楼的六边形核心筒采用劲性骨架混凝土剪力墙结构，混凝土采用C80，墙厚由3.0米变化为0.5米。

本大楼的六边形钢管混凝土巨柱的六边形外套钢管对边距离由10米变为6米，钢管壁厚由60mm变为16mm，内置圆形钢管直径由5米变为3米，钢管壁厚由50mm变为12mm，六边形外套钢管和圆形内钢管之间的连接钢板厚度由50mm变为12mm，六边形钢管混凝土巨柱采用C80混凝土。

本大楼格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙的墙厚由3.5米变为1.0米，混凝土采用C80浇筑，双钢板厚度由60mm变为16mm，波形钢板厚度由40mm变为10mm，端部槽钢尺寸是响应变化。本大楼巨型框架梁采用预应力钢管混凝土桁架结构，楼板采用压型钢板混凝土楼板结构。

本大楼每隔250米设置一道伸臂桁架和避难加强层，巨型框筒采用X形斜向支撑，本大楼的高度很大，为了进一步提高抗风能力，应分段配置体外预应力抗风拉索，降低倾复力矩，降低风荷载作用下的位移效应，本大楼体外预应力抗风拉索采用带有阻尼器的碳纤维缆索。

本发明仿照蜂窝结构，将多个六边形巨型筒体结构单元集束组合在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒结构单元的数量，构成宝塔状新型超高层结构体系，形成一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，以便建造千米级超高层建筑结构。新型超高层结构体系内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载；外部采用带有斜向支撑巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，满足超高层建筑的采光要求。新型的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系是建筑设计与结构创新相结合的建筑结构，具有结构刚度大、立面造型丰富、挺拔利索，简洁稳定、抗风稳定性能好、抗震能力好和施工方便等优点，可用于千米以上超高层建筑结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，包括六边形巨型筒中筒结构单元(1)，其特征在于：六边形巨型筒中筒结构单元(1)由六边形外筒结构(11)和六边形核心筒结构(12)结构构成，所述的六边形外筒结构(11)由六个沿圆周均匀分布的六边形钢管混凝土巨柱(111)和在巨柱之间布置的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙(112)、巨型框架梁(113)构成；蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元(1)，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元(1)的数量，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系。

2.根据权利要求1所述的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，其特征在于：所述的六边形钢管混凝土巨柱(111)包括六边形外套钢管(1111)、内置圆形钢管(1112)、连接钢板(1113)和管内混凝土(1114)，在六边形外套钢管(1111)中，放入内置圆形钢管(1112)，在六边形外套钢管(1111)对角线方向，将六块连接钢板(1113)焊接在六边形外套钢管(1111)和内置圆形钢管(1112)之间，空腔内填充管内混凝土(1114)，构成六边形钢管混凝土巨柱(111)。

3.根据权利要求1所述的蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，其特征在于：所述的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙(112)包括双层钢板(1121)、波形钢板(1122)、槽钢端柱(1123)和混凝土填充物(1124)，双层钢板(1121)中间设置波形钢板(1122)，双层钢板(1121)的两端设置槽钢端柱(1123)，三者焊接牢固，形成带有空腔的长条形格栅管式墙板，格栅管式墙板空腔内浇筑混凝土填充物(1124)，形成格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙(112)。

4.一种蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：开挖基坑，打入钢管桩，施工筏板基础，放样定位轴线，施工六边形核心筒结构(12)，沿圆周均匀分布施工六边形钢管混凝土巨柱(111)，巨柱之间布置格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙(112)和巨型框架梁(113)，形成六边形外筒结构(11)，浇筑楼板，六边形外筒结构(11)和六边形核心筒结构(12)协同工作，形成六边形巨型筒中筒结构单元(1)；

步骤二：蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元(1)，形成集束筒体群，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元(1)的数量，形成宝塔状超高层结构体系。

步骤三：进行伸臂桁架和避难加强层施工，安装巨型框筒的斜向支撑，分段安装体外预应力抗风拉索，形成蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系，进行内部的次框架结构施工，进行装潢施工，建造千米级超高层建筑结构。