CN201981646U

CN201981646U - 一种螺旋支撑外筒结构建筑体系

Info

Publication number: CN201981646U
Application number: CN2011200707461U
Authority: CN
Inventors: 范重; 王力; 刘先明; 范学伟; 杨苏
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: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-03-17

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋支撑外筒结构建筑体系，在建筑的外筒中设置有立柱，在外筒的立柱间设置有斜向支撑，斜向支撑首尾相连，形成多道连续的螺旋支撑，环绕于外筒。本实用新型的螺旋支撑外筒结构建筑体系，通过螺旋支撑的设置，大大提高了外筒的抗侧能力，充分发挥外筒的结构作用，是一种高效能的新型结构体系。

Description

一种螺旋支撑外筒结构建筑体系

技术领域

本实用新型涉及建筑结构领域，具体地，涉及一种螺旋支撑外筒结构建筑体系。

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、交叉网筒结构等，其中框架筒体、筒中筒及束筒结构、巨型支撑结构、交叉网筒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。交叉网筒竖向的作用主要由交叉支撑承担，加大了交叉支撑受力负担，降低了结构的综合效能。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。

实用新型内容

本实用新型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的螺旋支撑外筒结构建筑体系。

实现上述目的的技术方案如下：

一种螺旋支撑外筒结构建筑体系，在建筑的外筒中设置有立柱，在外筒的立柱间设置有斜向支撑，斜向支撑首尾相连，形成多道连续的螺旋支撑，环绕于外筒。设置螺旋支撑后，结构的侧向刚度得到极大的提高，最大层间位移角与顶点位移显著减小，并且自振周期和扭转周期均有明显的变化，外筒可以分担更多的水平剪力。结构竖向刚度分布均匀，使得最大层间位移曲线连续光滑。

进一步地，所述建筑为超高层建筑。超高层建筑指40层以上，高度100米以上的建筑。

进一步地，所述斜向支撑与立柱的连接节点在立柱的柱端，连接方式为刚接或铰接。斜向支撑与柱的连接方式对结构整体的性能影响不大，可按实际工程需要而定。

进一步地，所述螺旋支撑的布置方向为单向或双向布置。螺旋支撑布置方向可以有双向和单向，与双向螺旋支撑相比，单向螺旋支撑外筒的平动周期和扭转周期都有增大的趋势，在水平荷载作用下的侧向刚度较小，最大层间位移角较大。因此，外筒应尽量采用双向布置螺旋支撑。

进一步地，在相邻的立柱之间，所述斜向支撑可跨越1层或多层楼层，优选斜向支撑与水平面的夹角为40°。螺旋支撑外筒结构的抗扭刚度很大，斜向支撑倾斜角度对于结构扭转刚度有一定影响，但对外筒的最大层间位移角的影响并不明显。

进一步地，所述螺旋支撑为4道、8道或16道。螺旋支撑的数量按需要增减，随着螺旋支撑数量的增加，结构整体抗侧力性能不断提高，外筒的刚度逐渐加强，剪力的分配比例逐渐增大，抗侧性能也越来越好。应在考虑经济合理的前提下，使内筒与外筒的性能达到最佳配合；

进一步地，所述建筑的平面为任意几何平面。

进一步地，所述建筑为框架核心筒结构。

进一步地，所述斜向支撑可在建筑主体完成后安装。由于斜向支撑主要起到承担水平力和作用，施工时可以采取斜向支撑后装的方式。

本实用新型通过研究还发现改变外筒框架梁的截面尺寸对于结构整体抗侧效果影响很小，所以在设计时只要保证主要框架梁的强度和稳定性，不必考虑其对于整体抗侧力的贡献。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型突破了传统结构形式的概念，外筒螺旋支撑的设置，大大提高了体系的侧向承载能力，区别于一般的交叉网筒结构，没有取消竖向立柱，竖向荷载主要由立柱等承担，螺旋支撑主要起到抵抗水平作用和协调整体受力的作用，大大提高了结构综合效能。同时，螺旋支撑的布置灵活性较大，对于建筑设计的适应性很强，有利于实现结构项目最终达到受力合理，构件布置比较均匀，外形美观的目的。该建筑体系可以适应多种建筑平面形式，建筑效果新颖，是一种新型的高效能结构形式。

2、螺旋支撑与外筒相结合，大大提高了外筒的侧向刚度。

3、与框架-核心筒结构相比，省掉了水平加强层的伸臂桁架与腰桁架，混凝土核心筒施工大大简化。

4、与巨型支撑相比，螺旋支撑数量可调，使用非常灵活。

5、与交叉网筒相比，保持了外柱的连续性，螺旋支撑可以延迟安装，施工简单方便。

6、螺旋支撑仅承担水平力与作用，支撑节点对梁柱节点无削弱。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

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

图1为超高层建筑的楼层平面图；

图2为螺旋支撑外筒结构建筑的立面图(局部)；

图3是螺旋支撑外筒结构建筑体系构成的三维分解图；

图4a，4b分别为螺旋支撑单向布置和双向布置的外筒展开示意图(局部)；

图5a，5b分别为改变螺旋支撑的角度的外筒展开示意图(局部)；

图6a，6b分别为改变螺旋支撑的数量的外筒展开示意图(局部)；

图中1-内筒；2-外筒；3-连接节点；4-立柱；5-斜向支撑。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

对于超高层建筑侧向荷载为主要控制因素，因此本实用新型实施例1-6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)风荷载体型系数μs参照建筑结构荷载规范的圆截面构筑物取用

3)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αmax：0.08

3)场地特征周期Tg：0.4s

实施例1无支撑外筒结构建筑

如图1所示，建筑采用框架核心筒结构，包括内筒1和外筒2，外筒2中竖向设置16排立柱。建筑平面呈圆形，外筒2内径为50.27m，内筒1内径为24.32m，地面以上120层，层高4.2m，建筑总高度为504m，结构高宽比H/D＝10。

外筒2采用钢管混凝土立柱+H型钢框架，内筒1采用钢骨混凝土剪力墙，在内筒1与外筒2之间的主梁采用焊接H型钢梁。钢材均采用Q345，混凝土强度等级为C80～C40。

实施例2

以实施例1的结构为基础，如图2所示，在外筒2的立柱4间设置有斜向支撑5，斜向支撑5与立柱4的连接节点3在相应的柱端，连接方式为刚接，斜向支撑5首尾相连，形成8道连续的螺旋支撑，双向布置环绕于外筒2。其中斜向支撑5的倾斜角度为38.4°。施工时可以采取斜向支撑5后装的方式。图3显示了螺旋支撑外筒结构建筑体系构成的三维分解图。图4b显示了螺旋支撑双向布置的外筒展开示意图(局部)。

与实施例1相比，筒体结构抗侧力性能对比如表1和表2所示，可以看出，无支撑外筒侧向刚度很小，在地震作用下的最大层间位移角为1/209，自振周期长达17.9s。设置8道螺旋支撑后，结构的侧向刚度得到极大的提高，最大层间位移角与顶点位移显著减小，并且自振周期和扭转周期均有明显的变化。

表1无支撑外筒与螺旋支撑外筒体系主要性能数据

体系差别	最大层间位移角	最大顶点位移(mm)	第一周期	第一扭转周期	周期比
						螺旋支撑外筒	1/485(y向地震)	674	11.25	1.70	0.15
无支撑外筒	1/209(y向地震)	1679	17.91	2.17	0.12

表2无支撑外筒与螺旋支撑外筒对各方向抗侧能力影响对比

底部外筒的抵抗弯矩分配比例见表3，可以看到螺旋支撑外筒在抗弯能力上远远强于无支撑外筒，抵抗了很大的侧向力矩。筒体结构底部剪力比例分配如表4所示，设置螺旋支撑后，抗侧力刚度增大，外筒可以分担更多的水平剪力。

表3无支撑外筒与螺旋支撑外筒体系的外筒弯矩分配比例

	螺旋支撑外筒	无支撑外筒
			X向风绕y向	58.0％	9.1％
Y向风绕x向	63.4％	11.3％
			X向地震绕y向	58.5％	9.5％
Y向地震绕x向	63.9％	11.8％

表4无支撑外筒与螺旋支撑外筒底部剪力分布

实施例3

在实施例2的基础上，将斜向支撑与立柱的连接方式由刚接改为铰接。

与实施例2相比，计算结果如表5～表8所示。通过表中的数据可以看出，斜向支撑与立柱刚接改为铰接后，对结构整体的性能影响不大。对底部剪力的分配有一定的影响，外筒的抗侧刚度减小，剪力分配变小，平动周期和扭转周期也有微小的增大。

表5刚接与铰接对筒体抗侧性能的影响

体系差别	最大层间位移角	最大顶点位移(mm)	第一周期	第一扭转周期	周期比
						支撑刚接	1/485(y向地震)	674	11.25	1.70	0.15
支撑铰接	1/483(y向地震)	677	11.27	1.72	0.15

表6刚接与铰接对各方向抗侧能力影响对比

表7刚接与铰接影响下外筒弯矩分配比例

	支撑刚接	支撑铰接
			X向风	58.0％	57.9％
Y向风	63.4％	63.2％
			X向地震	58.5％	58.4％
Y向地震	63.9％	63.8％

表8刚接与铰接对筒体底部剪力比例分配的影响

实施例4

在实施例2的基础上，将外筒的8道斜向支撑由双向布置改为单向布置。图4a显示了螺旋支撑单向布置的外筒展开示意图(局部)。

与实施例2相比，计算结果如表9、表10、表11、表12所示。从表中可以看到，与双向支撑相比，单向支撑外筒的平动周期和扭转周期都有增大趋势，在水平荷载作用下的侧向刚度较小，最大层间位移角较大，外筒的抗弯能力相对较小。总的来说，单向支撑布置效能差于双向布置支撑。

表9单向支撑与双向支撑对比

体系差别	最大层间位移角	最大顶点位移(mm)	第一周期	第一扭转周期	周期比
						双向支撑	1/485(y向地震)	674	11.25	1.70	0.15
单向支撑	1/443(y向地震)	728	11.67	1.76	0.15

表10单向支撑与双向支撑对各方向抗侧能力影响对比

表11单向支撑与双向支撑影响下外筒弯矩分配比例

	双向支撑	单向支撑
			X向风	58.0％	56.1％
Y向风	63.4％	61.5％
			X向地震	58.5％	56.5％
Y向地震	63.9％	62.0％

表12单向支撑与双向支撑外筒底部剪力

实施例5

在实施例2的基础上，将斜向支撑倾斜角度由38.4°改为50°、25.5°。如图5a，5b分别显示了改变螺旋支撑的角度的外筒展开示意图(局部)。

与实施例2相比，计算结果如表13、表14、表15、表16所示，可以看出，螺旋支撑外筒结构的抗扭刚度较好，斜向支撑倾斜角度对于结构扭转刚度有一定影响，倾角越大，抗扭刚度越大，扭转周期越短，倾角50°、38.5°和25.5°时的平动与扭转周期比分别为1.62/11.36＝0.14、1.70/11.25＝0.15、1.88/11.48＝0.16，周期比随着斜向支撑倾角增大而减小，均远小于0.85的限值要求。

斜向支撑倾角对外筒的最大层间位移角的影响并不明显。说明随着斜向支撑倾角在一定范围内变化，均能起到增大侧向刚度的作用。但应该考虑到斜向支撑倾角过大将引起材料用量显著增加，支撑倾角过小将造成抗侧力效果不显著。综上所述，将支撑倾斜角度控制在40°左右较为合理。

表13外筒支撑倾斜角度对抗侧性能的影响

支撑倾角	最大层间位移角	顶点位移(mm)	第一周期	扭转周期	周期比
						50°	1/468(y向地震)	690	11.36	1.62	0.14
38.4°	1/485(y向地震)	674	11.25	1.70	0.15
						25.5°	1/483(y向地震)	698	11.48	1.88	0.16

表14外筒支撑倾斜角度对各方向抗侧能力影响对比

表15外筒支撑倾斜角度影响下外筒弯矩分配比例

倾斜角度	50°	38.4°	25.5°
				X向风	58.8％	58.0％	54.4％
Y向风	64.2％	63.4％	59.5％
				X向地震	59.2％	58.5％	54.8％
Y向地震	64.7％	63.9％	60.3％

表16外筒支撑倾斜角度对底部剪力的影响

实施例6

在实施例2的基础上，将外筒双向布置的8道斜向支撑改为4道斜向支撑、16道斜向支撑。图6a，6b分别显示了改变螺旋支撑的数量的外筒展开示意图(局部)。

与实施例2相比，计算结果如表17、表18、表19、表20所示，可以看出，随着支撑数量的增加，结构整体抗侧力性能不断提高，外筒的刚度逐渐加强，剪力的分配比例逐渐增大，对于弯矩的分配量也越来越大，抗侧性能也越来越好。但是也应看到，支撑数量过多在经济性上合理性较差，也给施工带来不便。实际工程中应该在考虑经济性的前提下，使内筒与外筒的性能达到最佳配合。

表17支撑数量对抗侧性能的影响

支撑数量	最大层间位移角	最大顶点位移(mm	第一周期	扭转周期	周期比
						4道	1/442(y向地震)	759	11.97	1.89	0.16
8道	1/485(y向地震)	674	11.25	1.70	0.15
						16道	1/537(y向地震)	603	10.61	1.46	0.14

表18支撑数量对各方向抗侧能力影响对比

表19支撑数量影响下外筒弯矩分配比例

支撑数量	4道	8道	16道
				X向风	49.5％	58.0％	63.8％
Y向风	58.8％	63.4％	68.9％

X向地震	50.2％	58.5％	64.2％
				Y向地震	59.6％	63.9％	69.3％

表20支撑数量对底部剪力分布的影响

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种螺旋支撑外筒结构建筑体系，在建筑的外筒中设置有立柱，其特征在于，在外筒的立柱间设置有斜向支撑，斜向支撑首尾相连，形成多道连续的螺旋支撑，环绕于外筒。

2.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述建筑为超高层建筑。

3.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述斜向支撑与立柱的连接节点在立柱的柱端，连接方式为刚接或铰接。

4.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述螺旋支撑的布置方向为单向或双向布置。

5.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，在相邻的立柱之间，所述斜向支撑可跨越1层或多层楼层。

6.根据权利要求5所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述斜向支撑与水平面的夹角为40°。

7.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述螺旋支撑为4道、8道或16道。

8.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述建筑的平面为任意几何平面。

9.根据权利要求1所述的螺旋支撑外筒结构建筑体系，其特征在于，所述建筑为框架核心筒结构。