CN107366352A - 强外框超高层建筑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强外框超高层建筑结构，包括设在建筑结构外周的用于形成强外框结构的若干外框柱和若干外框梁；设在建筑结构内部的用于形成内框架结构的若干内框柱和内框梁；及用于连接强外框结构和内框架结构的若干楼板结构；强外框结构承担的水平剪力不小于建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构，设置强外框结构承担的水平剪力为全部建筑结构的水平剪力的20％～80％，因此强外框结构能更有效分担水平剪力和倾覆力矩，而内框架结构只需承担较少部分的水平剪力和倾覆力矩，内框架可设计成结构形式较为简单的、以承担竖向荷载为主的框架式结构。故而内框架的平面布置更加灵活，可提高建筑结构的实用率，经济性强。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中的结构工程技术领域，具体涉及一种强外框超高层建筑结构。
背景技术
超高层建筑是指40层以上或高度100米以上的建筑。目前，我国的超高层建筑中应用较多的是框架-核心筒结构体系，一般在中央布置剪力墙薄壁筒，用以承担大部分水平力；周边布置大柱距的普通框架。尽管框架-核心筒结构因存在诸多优点而应用广泛，但也存在一些不足，主要有以下几个方面：
(1)连梁设计困难。框架-核心筒结构中的连梁一般跨高比较小、刚度大，且连接的筒体剪力墙刚度较大，在水平力作用下，筒体中连梁受力较大，为保障结构安全防止连梁剪切破坏，往往出现连梁计算配筋值超限的情况，给截面设计带来困难。且在平面较复杂的框筒结构中(如核心筒偏心设置)，某一根连梁的截面取值大小有时会对整个结构的动力特征造成较大影响，使周期、位移比等多项地震指标难以满足规范要求。
(2)经济性较差。核心筒是框架-核心筒结构的主要抗侧力构件，要求核心筒在各个方向上都具有较大的抗侧刚度，即，核心筒承担整个建筑结构的80％以上的水平剪力；而外框架主要用于承受竖向荷载，并分担按刚度分配所得的小部分水平剪力。一方面，由于核心筒高宽比较大，与外框架相比，核心筒的抗倾覆力矩的力臂较小，因此只能通过增加剪力墙的长度或厚度、减少开洞等方式加大核心筒的抗倾覆力矩，这样势必会增加用钢量，增加建造成本。另一方面，《建筑抗震设计规范》GB50011中规定，框架-核心筒结构中，除加强层及其相邻上下层外，按框架-核心筒计算分析的框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部总地震剪力的10％。而很多工程中框架承担的地震剪力仅为整个建筑结构总剪力的4％～5％，与规范的要求有较大差距。为了满足规范规定，需要不断加大构件截面尺寸，不仅使设计不合理，也付出很大的经济成本。
(3)实用率不佳，平面功能布置受限。在传统的框架-核心筒结构中，核心筒的设计优先考虑的是结构的抗侧力能力，其次才是竖向交通和设备布置，这样就会导致核心筒结构设计和功能设计出现偏差，例如核心筒的结构设计没有问题，但核心筒内的平面布局设计出现空间富裕或空间不足的情况，由于核心筒的结构设计牵涉整个建筑结构的设计，调整起来非常困难和麻烦，基于避免出现核心筒内空间不足以及加大抗倾覆力矩的考虑，核心筒的截面面积往往会设计得比较大，由此降低了建筑结构的实用率。
因此实现超高层建筑结构设计更为简单经济、绿色环保是一个亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种强外框超高层建筑结构，能够有效解决现有技术中的框架-核心筒结构的实用率低、连梁设计困难及经济性较差等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种强外框超高层建筑结构，包括：
设置在建筑结构外周的用于形成强外框结构的若干外框柱和若干外框梁；
设置在所述建筑结构内部的用于形成内框架结构的若干内框柱和内框梁；
以及用于连接所述强外框结构和所述内框架结构的若干楼板结构；
其中，所述强外框结构承担的水平剪力为所述建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述强外框结构的截面为圆形、椭圆形、正多边形或长宽比小于2的矩形，且所述强外框结构的宽度为所述建筑结构高度的(1/4～1/10)。
其中，强外框结构的宽度与建筑结构的高度的比值对强外框结构的空间受力性能有较大影响，当高宽比过小时，不能较好的发挥强外框结构的整体空间作用。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述内框柱的柱截面形心与所述外框柱的柱截面形心的最小距离小于或等于15m。
其中，内框柱与外框柱之间的距离不宜过大，否则楼盖结构设计困难。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述外框柱的柱距为4.2m～13m，所述外框柱的边长为所述外框柱的柱距的(1/5～1/3)，所述外框梁的梁截面高度为所述外框梁的梁跨度的(1/8～1/6)。
其中，所述外框柱的边长为所述外框柱沿外框边缘排列方向的边长。
优选地，所述外框柱的柱距为4.2m～12.6m。
具体地，为实现强外框结构有较好的空间作用，形成有较大刚度的抗侧力结构体系，外框柱的柱距不宜过大；此外，由于强外框结构在水平力作用下存在剪力滞后效应，使得外框柱轴力分布不均匀，位于强外框结构的角部位置的外框柱易先于其他位置的外框柱破坏。研究表明，柱距越大剪力滞后效应越明显，故而本发明规定了强外框结构柱距的最大值，即13m。另一方面，过小的外框柱的柱距容易使得强外框结构整体刚度过大，进而影响强外框结构整体延性性能，将可能导致强外框结构整体或局部出现脆性破坏，且难以实现强柱弱梁的设计理念，因此本发明规定了强外框结构的柱距的最小值，即，4.2m。
也就是说，外框柱的柱距对于强外框结构所能承受全部水平剪力的占比有着至关重要的影响，在上述柱距要求范围内，柱距越小，其强外框结构所能承受的水平剪力越多；而柱距越大，其强外框结构所能承受的水平剪力越少。
其中，所述外框柱的边长为所述外框柱的柱截面的边长。由于所述外框柱的边长为所述外框柱的柱距的(1/5～1/3)，因此，当所述外框柱的柱距发生变化时，所述外框柱的边长也会随之发生变化，进而所述外框柱的柱截面也相应发生变化。
其中，由于所述外框梁连接于相邻的两根外框柱之间，也就是说，所述外框梁的梁跨度即为相邻的两根外框柱之间的距离，即柱距，因此，当柱距发生变化时，则该外框梁的梁跨度也发生变化；而由于所述外框梁的梁截面高度为所述外框梁的梁跨度的(1/8～1/6)，因此，当所述外框柱柱距发生变化时，所述外框梁的梁跨度也发生变化，进而所述外框梁的梁截面也相应发生变化。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述楼板结构包括若干支撑梁和设置在所述若干支撑梁上的楼板层，所述支撑梁为钢骨混凝土梁或钢梁，所述楼板层为钢筋混凝土楼板、空心楼板或组合楼板。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述支撑梁至少有部分连接于所述外框柱与所述内框柱之间，且至少还有部分所述支撑梁连接于所述外框柱与所述内框梁之间。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述支撑梁与所述外框柱连接的连接端为刚接，所述支撑梁与所述内框柱的连接端为刚接或半刚接。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述外框柱为钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，所述外框梁为钢骨混凝土梁、钢梁或钢筋混凝土梁；
所述内框柱为钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，所述内框梁为钢骨混凝土梁、钢梁或钢筋混凝土梁。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述外框柱、外框梁、内框柱和内框梁中的混凝土为普通混凝土、再生块体混凝土或再生骨料混凝土。
作为一个可选的实施方式，在本发明的实施例中，所述混凝土均为再生块体混凝土时，所述再生块体混凝土中旧混凝土的质量替代率为全部混凝土的20％～35％。
其中，采用再生块体混凝土或者再生骨料混凝土，能够实现对混凝土固体废弃物的再利用，达到节能环保的目的。
其中，所述再生块体混凝土为利用旧有建筑物、旧有构筑物、旧有道路、旧有桥梁或旧有堤坝拆除后所得的去除全部或部分钢筋之后的废旧混凝土，与新混凝土一起浇筑而形成的混凝土。
其中，所述再生块体混凝土在应用前，应采取钻芯法实测出其立方体抗压强度实测值。优选地，旧混凝土的立方体抗压强度可低于新混凝土的立方体抗压强度，但其偏低幅度不超过15MPa。
此外，再生块体混凝土在浇筑前，应先将处理好的旧混凝土用水清洗，并充分浸湿。
与现有技术相比，本发明所采用技术方案的有益效果如下：
(1)结构布置更加合理。强外框结构采用相对较小的柱距布置，虽未构成明显的简体结构，但其侧向刚度明显增强，能够提供较好的抗侧和抗弯能力，合理设计的强外框结构可取消设置常规框架-核心筒应用较多的加强层，可避免因为加强层的设置所引起的结构竖向刚度、承载力突变等不利影响，并节约工期。
(2)经济性强。本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构，采用强外框结构作为主要的抗侧力结构，其力臂比核心筒要大得多，即，强外框结构只要以相对较少的材料就可以提供足够的抗倾覆力矩。因此整个建筑结构的用钢量、混凝土用量更低，经济性强。
(3)实用率高。本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构，通过在建筑结构的外周形成了强外框结构，即，强外框结构承担全部建筑结构的水平剪力的20％～80％，因此强外框结构能够更有效分担水平剪力和倾覆力矩，而内框架结构则只需承担较少部分的水平剪力和倾覆力矩，因此内框架可以设计成结构形式较为简单的、以承担竖向荷载为主的框架式结构。故而内框架的布置相较于核心筒的方式更为灵活，也更方便建筑竖向交通和设备布置，平面布局更加灵活，可提高建筑结构的实用率。
(4)连梁设计简单。本发明实施例采用强外框结构-内框架结构的结构体系，通过设置强外框结构承担整个建筑结构全部水平剪力的20％～80％，而内部的内框架结构只需承担相对较少的水平剪力，因此，强外框结构与内框架结构之间的连接梁的设计简单，并且也能够满足周期、位移比等多项地震指标的规范要求。
总而言之，本发明的强外框超高层建筑结构不仅结构布置合理、可以提高经济效益，还可提高建筑结构的实用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构的标准楼层结构示意图；
图2是本发明实施例的第一算例的标准楼层示意图；
图3是本发明实施例的第一算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图4是本发明实施例的第一算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图；
图5是本发明实施例的第二算例的标准楼层示意图；
图6是本发明实施例的第二算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图7是本发明实施例的第二算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图；
图8是发明实施例的第三算例的标准楼层示意图；
图9是本发明实施例的第三算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图10是本发明实施例的第三算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图；
图11是发明实施例的第四算例的标准楼层示意图；
图12是本发明实施例的第四算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图13是本发明实施例的第四算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图；
图14是发明实施例的第五算例的标准楼层示意图；
图15是本发明实施例的第五算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图16是本发明实施例的第五算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图；
图17是发明实施例的第六算例的标准楼层示意图；
图18是本发明实施例的第六算例在水平方向上各层剪力分配的示意图；
图19是本发明实施例的第六算例在水平方向上各层剪力分配比例的示意图。
具体实施方式
在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参阅图1，为本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构的示意图。本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构包括设置在建筑结构外周的用于形成强外框结构的若干外框柱21和若干外框梁22，设置在建筑结构内部的用于形成内框架结构的若干内框柱11和内框梁12，以及用于连接强外框结构和内框架结构的若干楼板结构。其中，该强外框结构承担的水平剪力为建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。
本发明实施例采用强外框结构-内框架结构的结构体系，强外框结构承担整个建筑结构全部水平剪力的20％～80％，而内部的内框架结构主要用于承担竖向荷载，即，内框架结构只需承担相对较少的水平剪力。因此强外框结构与内框架结构之间的连接梁设计、以及内框架结构本身的设计相对来说较为简单，从而能够使得建筑结构的平面布局更加灵活。
在本实施例中，为形成强外框结构，在水平平面内，外框柱21沿设定形状的边界(如矩形、圆形等)以等距或不等距方式分布，各层的外框梁22连接相邻的外框柱21，整体形成具有框架空间工作性能的框架式结构——即强外框结构。强外框的各构件(例如外框柱21、外框梁22)的数量、截面尺寸及配筋等，需要根据建筑结构设计要求进行具体确定。
在本实施例中，强外框结构的宽度与建筑结构的高度的比值对强外框结构的空间受力性能有较大影响，当高宽比过小时，不能较好的发挥强外框结构的整体空间作用。因此，强外框结构的宽度可优选为整个建筑结构高度的1/4至1/10。
在本实施例中，内框柱与外框柱之间的距离不宜过大，否则连接外框与内框的支撑梁跨度过大，而导致其设计困难，因此本实施例要求内框柱与外框柱截面形心的最小距离不大于15m。
在本实施例中，强外框结构的截面大致呈矩形，其结构四周等距或不等距设置上述的外框柱21。即，在强外框结构的四个边角处均设置有外框柱21，该强外框结构中的外框柱21采用钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，强外框结构中的外框梁22选用钢骨混凝土梁、钢梁或者是钢筋混凝土梁，可以设置更大的柱距和实现更大的开洞率，避免常规框筒结构因柱距和开洞率过小而影响景观视野和采光的问题。
具体地，为实现强外框结构有较好的空间作用，形成有较大刚度的抗侧力结构体系，外框柱的柱距不宜过大；此外，由于强外框结构在水平力作用下存在剪力滞后效应，使得外框柱轴力分布不均匀，位于强外框结构的角部位置的外框柱易先于其他位置的外框柱破坏。研究表明，柱距越大剪力滞后效应越明显，故而本发明规定了强外框结构柱距的最大值，即13m。另一方面，过小的外框柱的柱距容易使得强外框结构整体刚度过大，进而影响强外框结构整体延性性能，将可能导致强外框结构整体或局部出现脆性破坏，且难以实现强柱弱梁的设计理念，因此本发明规定了强外框结构的柱距的最小值，即，4.2m。因此，本发明的外框柱21的柱距可设置为4.2m～13m。
进一步地，外框柱21的柱距优选为4.2m～12.6m，即，在强外框结构中，相邻的两根外框柱21之间的距离可为4.2m、5m、6m、6.3m、12.6m、13m等。即，相邻的两根外框柱21之间的距离可为等距或者是不等距设置，视具体建筑结构设计要求进行布置。例如，如图2所示，各外框柱21柱距均为4.2m。可理解的是，各外框柱21可选用4.2m～13m范围内的相等柱距，也可选择不等柱距设置。
进一步地，外框柱21的边长为外框柱21的柱距的(1/5～1/3)。其中，外框柱21的边长为外框柱21沿外框边缘排列方向的边长。例如，如图2所示，当外框柱21的柱距为4.2m时，外框柱21的边长优选为0.84m～1.4m，由于该外框柱21的边长为外框柱21的柱截面的边长，因此，图2中外框柱的柱截面可为1.3m×1.2m。也就是说，当外框柱21的柱距发生变化时，该外框柱21的边长对应该柱距发生变化，此时，该外框柱21的柱截面也随之发生变化，因此，在实际设计时，外框柱21的柱截面主要根据该外框柱21的柱距来设置。
更进一步地，外框梁22的梁截面高度为外框梁22的梁跨度的(1/8～1/6)，本实施例中，当外框梁22的梁跨度为4.2m时，外框梁22的梁截面高度优选为0.525m～0.7m。由于外框梁22连接于相邻的两根外框柱21之间，即，外框梁22的梁跨度即为相邻的两根外框柱21之间的距离，即上述说的外框柱21的柱距，因此，当外框柱21的柱距发生变化时，该外框梁22的梁跨度也发生变化，而由于外框梁22的梁截面高度为外框梁22的梁跨度的(1/8～1/6)，因此，当外框柱21发生变化时，该外框梁22的梁跨度也发生变化，进而该外框梁22的梁截面也相应发生变化。
进一步地，在外框柱21和外框梁22中浇筑的混凝土(图中未标示)均为普通混凝土、再生块体混凝土或者是再生骨料混凝土。具体地，为了实现废旧混凝土的再利用，在外框柱21中浇筑的混凝土为再生块体混凝土，且再生块体混凝土中的旧混凝土的质量替代率为全部混凝土的20％～35％。该再生块体混凝土中的旧混凝土块体为旧有建筑物、构筑物、道路、桥梁或堤坝等拆除所得的去除全部或部分钢筋之后的混凝土块体。需要得知的是，旧混凝土块体应采取钻芯法实测出其立方体抗压强度实测值，并按强度分类回收。再生块体混凝土中，旧混凝土的立方体抗压强度可低于新混凝土的立方体抗压强度，但其偏低幅度不超过15MPa。此外，再生块体混凝土构件或再生块体混凝土组合构件浇筑前，旧混凝土块体需用水清洗，并充分浇水湿润，然后将新混凝土和旧混凝土块体反复交替投放入模板/或钢管内，并充分振捣，或在不断泵送新混凝土的同时，持续均匀投放旧混凝土块体并充分振捣，当旧混凝土块体较小时，也可直接将旧混凝土块体与新混凝土配置成再生块体混凝土，然后直接泵送至浇筑构件。
进一步地，内框架结构的平面为圆形、椭圆形、正多边形或矩形，由于强外框结构的水平剪力为建筑结构的全部水平剪力的20％～80％，因此，内框架结构承担相对较少的水平剪力，从而使得内框架结构的内框柱11之间可设置较大的柱距，从而有效节约建筑材料。如图2所示，在内框架结构的四个角处均设有上述的内框柱11。其中，内框架的四个角处的内框柱11为加强内框柱，其余为普通内框柱。内框架结构的内框柱11呈对称布置，各内框柱等间距设置，且内框架的四个边角处的内框柱11(即，加强内框柱)可采用L字形柱。可以理解的是，各内框柱也可不等间距设置。
进一步地，内框架结构的内框柱11可选用钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，内框梁12可选用钢骨混凝土梁、钢梁或钢筋混凝土梁，以实现更大的柱距和满足更大的开洞率要求。可以得知的是，在内框柱11和内框梁12中浇筑的混凝土也可为普通混凝土、再生块体混凝土或再生骨料混凝土，并且优选地，本发明优先用再生块体混凝土。
在本实施例中，上述的各楼板结构包括若干支撑梁31和设置在该若干支撑梁31上的楼板层(图中未标示)。支撑梁31可以采用钢骨混凝土梁、钢梁或其他支撑构件，楼板可采用钢筋混凝土楼板、空心楼板或组合楼板。对于每一楼板层，其至少有部分支撑梁31连接于强外框结构的外框柱21与内框架结构的内框柱11，且至少还有部分支撑梁31连接于强外框结构的外框柱21和内框架结构的内框梁12，另外还可以设置部分连接于支撑梁31之间的，既不与内框柱11连接，也不与内框梁12连接的支撑梁31。
进一步地，对于楼板层中与强外框结构及内框架结构连接的支撑梁31，即，与外框柱21及内框柱11连接的支撑梁31，该支撑梁31与外框柱21连接的连接端为刚接，与内框柱11连接的连接端为刚接或半刚接。
在本实施例中，上述的楼板在内框架结构所围合的区域为空心结构，从而使得内框架结构的中心形成上下贯通的中空结构。内框架结构的内框柱11之间可设置透光构件，如强化玻璃，使得内框架结构在水平和竖向都形成通透的中庭。可以理解的是，本实施例的各层楼板也可以贯通内框架结构所围合形成的区域，使得内框架结构也可以用作承重设备、物件或人员的功能房间/空间。
进一步地，在本发明的强外框超高层建筑结构中，由于相邻的两根外框柱之间的距离、外框柱的柱截面及外框梁的梁截面高度均对该强外框结构承受的水平剪力具有重要的影响。因此，本申请发明人对上述外框柱及外框梁的各项参数进行了深入研究，以确保强外框结构能够承担整个强外框超高层建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。
具体地，取强外框结构，其平面为50.4m×50.4m，50层，每层层高4.2m；除结构构件自重外，结构所有楼面附加恒载均为1.5kN/m2，活荷载均为3.5kN/m2；抗震设防烈度7度(0.1g)，场地类别为II类，设计地震分组为第二组；修正后的基本风压为0.75kN/m2。取不同柱距的六个模型(分别为第一算例、第二算例、第三算例、第四算例、第五算例及第六算例)进行对比分析，如下表1所示。
其中，第一算例的标准楼层平面图对应图2所示，第二算例的标准楼层平面图对应图5所示，第三算例的标准楼层平面图对应图8所示，第四算例的标准楼层平面图对应图11所示，第五算例的标准楼层平面图对应图14所示，第六算例的标准楼层平面图对应图17所示。
表1(不同的算例模型的外框柱和内框柱的柱距取值表)
其中，在表1中，第一算例、第二算例、第三算例均满足本发明对于外框柱21的柱距要求，且同时满足外框柱21的柱截面以及外框梁22的梁截面的要求，即，该第一算例、第二算例、第三算例中的外框柱21的柱距满足(4.2～13)m的要求，该外框柱21的柱截面满足该外框柱21的边长等于外框柱21的柱距的(1/5～1/3)；该外框梁22的梁截面高度满足该外框梁22的梁跨度的(1/8～1/6)的要求(如下表2以及下表6所示)。而在第四算例中，该外框柱的柱距满足本发明的(4.2～13)m的要求，但是其外框柱的柱截面以及外框梁的梁截面不满足上述的外框柱21的边长等于外框柱21的柱距的(1/5～1/3)，以及上述的外框梁22的梁截面高度等于该外框梁22的梁跨度的(1/8～1/6)的要求(如下表3及下表6所示)。
对于第五算例及第六算例而言，其外框柱的柱距不满足本发明的(4.2～13)m的要求，即，第五算例中，外框柱的柱距小于4.2m，而第六算例中的外框柱的柱距大于13m。其中，第五算例的外框柱的柱截面、内框柱的柱截面、外框梁及内框梁的梁截面尺寸分别如下表4及下表6所示，第六算例的外框柱的柱截面、内框柱的柱截面、外框梁及内框梁的梁截面尺寸如下表5及下表6所示。
应该得知的是，在强外框超高层结构中，由于所处层数越高其外框柱承受的竖向荷载越小，所处层数越低其外框柱承受的竖向荷载越大，因此，对于第一算例、第二算例、第三算例、第四算例、第五算例以及第六算例的强外框结构而言，23层以下的外框柱及内框柱均采用型钢混凝土柱，且鉴于外框和内框角柱承担双向地震作用，属于双向偏心受力构件，受力复杂，因此，外框角柱和内框角柱的内置型钢均采用十字形型钢，而受力相对简单的外框中柱和内框中柱的内置型钢则采用H形型钢；高于23层的外框柱及内框柱则采用钢筋混凝土柱，在表2～表5中，其外框柱的柱截面和内框柱的柱截面尺寸均包括了其内部型钢的截面。例如，如表2所示，在1～10层中，外框角柱包括混凝土柱的柱截面1300x1300及其内部的十字形型钢的截面尺寸800x400x50x50。同理，外框中柱、内框角柱及内框中柱的柱截面尺寸与外框角柱的柱截面表示方式相同。
表2(第一算例、第二算例及第三算例中，不同层数的外框柱和内框柱的柱截面尺寸)
表3(第四算例中，不同层数的外框柱、内框柱的柱截面尺寸)
表4(第五算例中，不同层数的外框柱、内框柱的柱截面尺寸)
表5(第六算例中，不同层数的外框柱、内框柱的柱截面尺寸)
可以得知的是，在强外框超高层结构中，所处层数越高其外框梁承受的地震作用越小，所处层数越低其外框梁承受的地震作用越大，因此，在本发明的强外框结构中，23层以下的外框梁及内框梁均采用混凝土梁内部加型钢的方式，其中，该型钢可优选用H形型钢(以下简称H形)，而高于23层的外框梁及内框梁则采用钢筋混凝土梁，因此，不同算例的不同层的梁截面的尺寸如下表6所示。
表6(不同算例的不同层数的外框梁、内框梁的截面尺寸)
其中，在表6中，不同算例的不同层的外框梁和内框梁截面包括了其内部的型钢的截面尺寸。例如，如上表6所示，在第一算例的1～23层中，外框梁包括混凝土梁的梁截面800x800及其内部的H形型钢的截面800x300x40x40。
此外，由于不同层数的柱所承受的竖向荷载和地震作用不同，因此，在不同层数中的柱的混凝土等级不同，如下表7所示。
表7(各个算例中，不同层数的外框柱、内框柱的混凝土等级)
进一步地，由于不同层数的梁所承受的地震作用不同，因此，在不同层数中的梁的混凝土等级不同，如下表8所示。
表8(各个算例中，不同层数的外框梁、内框梁的混凝土等级)
采用建筑结构设计软件YJK1.8.2对上述六个算例进行分析，并分别统计各算例水平方向(即，X向)各层的总剪力、外框承担剪力和内框承担剪力。
1、第一算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表9、下图3及下图4所示。
表9(第一算例中，水平方向上各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表9、图3及图4所示，在第一算例中，当该外框柱的柱距为4.2m时，其外框柱的柱距能够满足本发明中的外框柱柱距在(4.2～13)m的要求，此时，其强外框结构承受了大部分的水平剪力，即，该强外框结构占全部水平剪力的57％～66％。在这种情况下，不仅能够确保该强外框超高层建筑结构的整体开洞率的同时，还能够满足其承担整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％的要求，具有良好的实际建筑意义。
2、第二算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表10、下图6及下图7所示。
表10(第二算例水平方向各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表10、图6及图7所示，在第二算例中，当该外框柱的柱距为6.3m时，其外框柱的柱距能够满足本发明中的外框柱柱距在(4.2～13)m的要求，此时，其强外框结构承受了大部分的水平剪力，即，该强外框结构占全部水平剪力的48％～67％。在这种情况下，不仅能够确保该强外框超高层建筑结构的整体开洞率的同时，还能够满足其承担整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％的要求，具有良好的实际建筑意义。
3、第三算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表11、下图9及下图10所示。
表11(第三算例水平方向各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表11、图9及图10所示，在第三算例中，当该外框柱的柱距为12.6m时，其外框柱的柱距能够满足本发明中的外框柱柱距在(4.2～13)m的要求，此时，其强外框结构承受了大部分的水平剪力，即，该强外框结构占全部水平剪力的51％～73％。在这种情况下，不仅能够确保该强外框超高层建筑结构的整体开洞率的同时，还能够满足其承担整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％的要求，具有良好的实际建筑意义。
4、第四算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表12、下图12及下图13所示。
表12(第四算例水平方向各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表12、图12及图13所示，在第四算例中，虽然其外框柱的柱距为12.6m时，其外框柱的柱距能够满足本发明中的外框柱柱距在(4.2～13)m的要求，但是，由于其外框柱的柱截面不满足本发明中的外框柱的边长为外框柱的柱距的(1/5～1/3)，且外框梁的截面高度为外框梁的梁跨度的(1/8～1/6)的要求，因此，其强外框结构承受较少部分的水平剪力，即，该强外框结构占全部水平剪力的14～45％，并且如表12所示，其在3～23层的外框柱占全部水平剪力的比例小于20％，不满足本发明对外框柱水平剪力占比在20％～80％的要求。其主要原因是因为外框柱的柱截面和外框梁的梁截面过小，导致外框架的整体刚度过小，当外框柱的柱截面不满足其与柱距之间的关系要求，以及外框梁的梁截面不满足其与外框柱的柱距之间的关系要求时，会导致建筑结构不满足本发明对外框柱层水平剪力的占比要求以及现行规范要求满足的其他要求。
综上，本发明的强外框结构承担整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％不仅需要满足本发明的外框柱的柱距要求，同时也应满足该外框柱的柱截面与外框柱的柱距之间的关系，以及外框梁的梁截面与外框柱的柱距之间的关系。
5、第五算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表13、下图15及下图16所示。
表13(第五算例水平方向各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表13、图15以及图16所示，在第五算例中，虽然其强外框结构承担的水平剪力占全部水平剪力的33％～47％，满足本发明的对于强外框结构承担的水平剪力占整个建筑结构的水平剪力的20％～80％；但是，由于其外框柱的柱距仅为3.15m，对建筑采光的影响较大，极大的影响了建筑的开洞率，因此，不具有实际建筑意义。
6、第六算例在水平方向上的各层剪力及分配比例如下表14、下图18及下图19所示。
表14(第六算例水平方向各层的外框柱和内框柱分别承受的剪力及分配比例)
结合上表14、图18以及图19所示，在第六算例中，由于其外框柱的柱距为16.8m，大于本发明对于外框柱的柱距允许的最大值13m，因此，尽管其强外框结构承担的水平剪力占全部水平剪力的66％～88％，基本能够满足本发明的强外框结构承担整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％的要求。但是，由于其外框柱的柱距过大，因此，为了满足规范轴压比限制，该外框柱的柱截面则需要设计成很大，也就是说，单根外框柱的混凝土量需求大，这对于施工技术的要求高，且水泥水化热较大，容易使得整个建筑结构产生温度变形或裂缝，因此也同样不具有实际建筑意义。
综上所述，本发明提出强外框超高层建筑结构，在其强外框结构的外框柱柱距、外框柱的柱截面以及外框梁的梁截面均能够满足本发明中规定的要求的情况下，其强外框结构承担的水平剪力能够占整个建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。
需要指出的是，本发明对外框柱的柱距、外框柱的柱截面以及外框梁的梁截面的要求是基于现阶段对强外框结构的研究基础上提出的，本发明提出的强外框结构的布置仍需满足现行建筑结构系列规范的要求。
本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构，采用强外框结构作为主要的抗侧力结构，其力臂比核心筒要大得多，即，强外框结构只要以相对较少的材料就可以提供足够的抗倾覆力矩。因此整个建筑结构的用钢量、混凝土用量更低，经济性强。此外，本发明实施例提供的强外框超高层建筑结构，通过在建筑结构的外周形成了强外框结构，即，强外框结构承担全部建筑结构的水平剪力不小于20％～80％，因此强外框结构能够更有效分担水平剪力和倾覆力矩，而内框架结构则只需承担较少部分的水平剪力和倾覆力矩，因此内框架可以设计成结构形式较为简单的、以承担竖向荷载为主的框架式结构。故而内框架的布置相较于核心筒的方式更为灵活，也更方便建筑竖向交通和设备布置，平面布局更加灵活，可提高建筑结构的实用率。
以上对本发明实施例公开的强外框超高层建筑结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的强外框超高层建筑结构及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种强外框超高层建筑结构，其特征在于，其包括：
设置在建筑结构外周的用于形成强外框结构的若干外框柱和若干外框梁；
设置在所述建筑结构内部的用于形成内框架结构的若干内框柱和内框梁；
以及用于连接所述强外框结构和所述内框架结构的若干楼板结构；
其中，所述强外框结构承担的水平剪力为所述建筑结构的全部水平剪力的20％～80％。
2.根据权利要求1所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述强外框结构的截面为圆形、椭圆形、正多边形或长宽比小于2的矩形，且所述强外框结构的宽度为所述建筑结构高度的(1/4～1/10)，所述内框柱的柱截面形心至所述外框柱的柱截面形心的最小距离小于或等于15m。
3.根据权利要求2所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述外框柱的柱距为4.2m～13m，所述外框柱的边长为所述外框柱的柱距的(1/5～1/3)，所述外框梁的梁截面高度为所述外框梁的梁跨度的(1/8～1/6)。
其中，所述外框柱的边长为所述外框柱沿外框边缘排列方向的边长。
4.根据权利要求1所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述楼板结构包括若干支撑梁和设置在所述若干支撑梁上的楼板层，所述支撑梁为钢骨混凝土梁或钢梁，所述楼板层为钢筋混凝土楼板、空心楼板或组合楼板。
5.根据权利要求4所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述支撑梁至少有部分连接于所述外框柱与所述内框柱之间，且至少还有部分所述支撑梁连接于所述外框柱与所述内框梁之间。
6.根据权利要求5所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述支撑梁与所述外框柱连接的连接端为刚接，所述支撑梁与所述内框柱的连接端为刚接或半刚接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述外框柱为钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，所述外框梁为钢骨混凝土梁、钢梁或钢筋混凝土梁；
所述内框柱为钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱或钢筋混凝土柱，所述内框梁为钢骨混凝土梁、钢梁或钢筋混凝土梁。
8.根据权利要求7所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述外框柱、外框梁、内框柱和内框梁中的混凝土均为普通混凝土、再生块体混凝土或再生骨料混凝土。
9.根据权利要求8所述的强外框超高层建筑结构，其特征在于，所述混凝土为再生块体混凝土时，所述再生块体混凝土中旧混凝土的质量替代率为全部混凝土的20％～35％。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |