一種組合塔式結構建築體系的製作方法
2023-05-27 23:04:41
專利名稱：一種組合塔式結構建築體系的製作方法
技術領域：
本發明涉及建築結構領域，具體地，涉及一種組合塔式結構建築體系。
背景技術：
隨著社會經濟的發展，大型與超大型城市的土地資源越來越緊張，超高層建築以其特有的地標性和極高的土地使用率成為一類重要的建築結構形式。由於超高層建築高度較高，風荷載與地震作用產生的水平方向的效應成為結構設計的主要控制因素，通常水平荷載引起的內力在構建中佔有很大的比重，由於結構沿高度方向的形變量較大，保證建築使用的舒適性與玻璃幕牆等圍護結構的安全性至關重要。在超高層鋼結構設計時，如何在增大結構的側向剛度、控制結構層間位移角與Ρ-Δ效應、保證結構在地震、風荷載作用下的安全性與舒適性的同時有效地控制用鋼量，具有很大的現實意義。因此，開發高效能的抗側力結構體系成為超高層鋼結構設計的關鍵技術之一。目前高層結構常用的結構體系主要有框架-支撐結構、框架-核心筒結構、筒中筒及束筒結構、巨型框架結構、巨型支撐結構等，其中框架筒體、筒中筒及束筒結構、巨型支撐結構等可以適用於超高層結構。框架-支撐結構的抗側力與抗扭能力較弱，雖然利用伸臂桁架可以有效地減小結構的側向位移，但是存在著結構側向剛度突變、與伸臂桁架相連外柱的內力過於集中以及在建築高寬比很大時效果不顯著等問題；由於框筒類結構形式存在著明顯的剪力滯後現象，結構的抗側力效率較低；雖然巨型支撐結構的側向剛度較大，結構的抗側力能力主要集中於少數構件，主結構構件尺度很大，主、次構件尺度相差明顯。由於超高層建築的建造需要消耗大量的財力物力，建築樓層面積受到使用功能與使用效率的限制，建築高度到達一定限度時，結構的高寬比與側向剛度已經成為主要制約因素，為了滿足未來建築向更高空間發展的需求，必須開發適用於超高層建築的新型高效能結構體系。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種抗側能力較強的組合塔式結構建築體系。實現上述目的的技術方案如下一種組合塔式結構建築體系，由兩個或兩個以上的等高的塔樓組合而成，相鄰塔樓沿中心線呈對稱設置；在所述兩個塔樓組合中，塔樓之間直接通過多個連接桁架剛接； 在所述兩個以上的塔樓組合中，每個塔樓與其相鄰的兩個塔樓之間分別通過多個連接桁架剛接形成一個多邊形的組合。進一步地，所述塔樓為超高層塔樓，單塔的高度和高寬比都超過規範限制。超高層塔樓指40層以上，高度100米以上的塔樓。超高層塔樓的側向剛度是其主要制約因素，通過在多個超高層塔樓之間設置由連接桁架構成的連接體，形成一個組合的結構整體；相鄰塔樓之間沿中心線呈對稱設置，且連接桁架與各塔樓之間採取剛接的連接方式，可以使各塔樓之間協調受力，較之於單塔，層間位移角顯著減小，整體抗側能力得到大幅度提高。該組合塔式結構建築體系中的各塔樓可採用框架核心筒結構、框架-支撐結構、筒中筒及束筒結構等超高層建築常用結構體系。通過在上述結構體系的塔樓之間通過連接桁架的連接均能起到整體抗側能力的提高。進一步地，所述連接桁架為鋼桁架。進一步地，所述各塔樓採用框架核心筒結構，其中核心筒與外框架筒之間由伸臂桁架組成的加強層進行連接；且所述連接桁架與各塔樓的伸臂桁架連接。通過連接桁架、伸臂桁架，將各塔核心筒相聯繫，形成組合整體，使得結構整體呈現出巨型結構效應。進一步地，所述連接桁架的頂部與伸臂桁架的上弦相連。在水平作用的情況下，超高層塔樓間的連接桁架的頂部受力偏大，通過將連接桁架的頂部與伸臂桁架的上弦相連， 即使連接桁架的頂部處於加強層的位置，在水平受力的情況下，組合整體結構較為穩固。進一步地，所述加強層還包括與伸臂桁架相連的腰桁架。在有水平作用力的情況下，由伸臂桁架和腰桁架組成的加強層，可以更有效地減小結構的側向位移。進一步地，所述組合塔式結構建築體系適用於二塔組合、三塔組合或四塔組合。二塔組合結構在連接體方向結構抗側能力較之於單塔大大提高。一階振型由連接體方向平動逐漸轉為非連接體方向的平動，連接體方向的周期也較單塔有了很大減小。在連接體結構部位的層間位移角小於普通樓層的層間位移角，層間位移角存在突變。三塔組合結構表現出與二塔組合結構相似的性能，設置連接體後，結構抗側能力較之於單塔大大提高。前兩階振型分別為y方向與X方向的整體平動，周期較單塔有了很大減小，一、二階周期非常接近， 說明三塔組合結構在X軸與y軸方向的抗彎剛度非常接近。三塔組合整體結構的平面不對稱性，其連接體結構的受力性能比二塔組合結構複雜，在實際工程中應該注意對連接體結構進行更為細緻的分析。四塔組合結構在連接體方向所表現出來的性能與二塔組合結構非常相似。由於單塔數量增加，其整體效應體現更加明顯。進一步地，所述連接桁架為2層高、4層高、8層高或16層高。此處連接桁架層數決定連接桁架的剛度。對於二塔組合結構，隨著連接桁架層數的增加，整體受力逐漸接近於巨型結構，核心筒的抗傾覆作用進一步提高，側向剛度隨之提高，層間位移角曲線有明顯 「收攏」的趨勢，頂點位移也隨著連接體層數的增加而減小。同時，隨著連接桁架層數的增加，結構總重量有所增加，非連接體方向的自振周期略有增加，相應的層間位移角和頂點位移有微小增大。對於三塔組合結構，隨著連接桁架層數的增加，各方向的層間位移角都有顯著的減小，但其減小值呈逐漸趨緩，說明連接桁架層數達到一定數量時，對增加抗側剛度的效果為逐漸下降。對於四塔組合結構，隨著連接桁架層數的增加，外框架分擔的傾覆彎矩隨著減小，核心筒承擔越來越大的抗側作用，巨型結構效應提高了核心筒的利用效率，在設計中可以充分利用這個特點改善結構的經濟性。進一步地，所述二個塔樓組合中的各塔樓平面為矩形結構，連接桁架連接兩個長邊。由於矩形平面的短邊方向的側向剛度較低，因此連接桁架連接兩個長邊，以提高整體的側向剛度。組合塔式結構受力較之於一般的高層結構複雜很多。連接體的受力以及結構體系整體的力學性能，會隨著諸多的可變因子發生改變。本發明通過對二塔組合及多塔組合進行了全面分析，研究了組合塔式結構的受力特點及影響因素，通過變化各種參數研究組合塔式結構的性能，為這一新型結構體系提供有效的設計依據
(1)對於組合塔式結構，設置連接體使各獨立塔樓形成一個整體結構，通過連接體部分的內力傳遞實現整體結構的協調變形。(2)在各塔樓之間設置連接桁架後，結構側向剛度顯著提高，層間位移角大大減小，連接體部位的層間位移角明顯小於其他相鄰部位。(3)隨著連接桁架剛度增加，結構整體受力性能逐漸接近巨型結構，核心筒的抗傾覆作用進一步提高，側向剛度不斷提高，層間位移角逐漸減小。(4) 二塔、三塔及以上組合結構具有相似的特性。單數塔樓的組合塔式結構，其連接體桁架受力性能比雙數塔樓的組合塔式結構複雜。(5)連接桁架對組合塔式結構的作用至關重要，需要對其在各種荷載與作用下的安全性進行詳細的分析，確保其安全性。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果(1)組合塔式結構形式新穎，是一種全新的結構理念，是對現有超高層結構體系的極大豐富，有利於節能省地，提高材料利用率。(2)用連接桁架將各自獨立的單塔相連接形成巨型結構，極大地增強了結構的整體抗傾覆能力；克服了現有技術中的超高層建築形式存在的缺陷，側向剛度大，扭轉效應小，外柱內力集中和剪力滯後效應不明顯，並且結構構件尺度較為均勻。具有結構形式簡明，受力合理，外形美觀的特點。(3)突破了傳統單體結構高寬比限值，為超高層結構向更大的高度發展提供了巨大的空間。(4)各單塔之間的連接體部分可以作為各塔樓之間的聯絡通道與公共空間使用。(5)樓層平面由多個單塔平面組成，每個單塔作為獨立的防火分區，充分享受陽光與新鮮空氣，提高了建築檔次，生活品質得以大大改善。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中圖1是二塔組合立面圖；圖2是二塔組合的樓層平面圖；圖3 圖6是二塔組合分別設置2層、4層、8層、16層連接桁架的立面圖；圖7是三塔組合立面圖；圖8是三塔組合的樓層平面圖；圖9 圖12是三塔組合分別設置2層、4層、8層、16層連接桁架的立面圖；圖13是四塔組合立面圖；圖14是四塔組合的樓層平面圖；圖15 圖18是四塔組合分別設置2層、4層、8層、16層連接桁架的立面圖；圖19 二塔組合三維圖；圖20三塔組合三維圖；圖21四塔組合三維圖。
圖中1-連接桁架，2-伸臂桁架，3-核心筒，4-外框架筒。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。對於超高層建築側向荷載為主要控制因素，因此本發明實施例1 3的測試條件如下(主要分別考慮風荷載和地震作用在水平方向上的作用力)(1)風荷載1)基本風壓0. 55kN/m22)地面粗糙度B類(2)地震作用1)地震烈度7度2)影響係數最大值α max :0. 083)場地特徵周期Tg 0. 65s實施例1 二塔組合結構體系如圖1、2、19所示，二塔組合結構體系由兩個對稱設置的超高層塔樓組成，地面以上136層，層高4. 0m，建築總高度討細；單塔建築平面呈矩形，採用框架核心筒結構體系，外框架柱距為10m，共設有8道由伸臂桁架2與腰桁架(圖中未示出)組成的水平加強層用於連接核心筒3與外框架筒4。單塔短邊方向高寬比達13. 6，長邊方向高寬比為9. 07，大大超過規範限制，屬於非常高柔的建築。為了改善建築在短邊方向的性能，將兩個單塔在長邊之間分別在沿豎向的四個部位均勻設置4道連接桁架1，採用剛接方式進行連接。其中連接桁架1的頂部與伸臂桁架2的上弦相連。連接桁架1的跨度為20m。連接桁架1採用鋼結構，鋼材材質為Q345。在相應測試條件下，先進行單塔計算，側向載荷作用下的最大層間位移角為 1/150，遠遠滿足不了規範層間位移角不大於1/500的限值要求。然後在二塔組合情況下， 改變連接桁架的層數(決定連接桁架的剛度)，分別為2層(如圖3所示)、4層(如圖4所示)、8層(如圖5所示)、16層(如圖6所示)，側向荷載作用下的最大層間位移角分別為 1/449，1/648，1/973，1/1285，可以看出連接體的設置和單體的區別，設置2層、4層、8層、16 層連接體後的效能提升分別為66%、77%、85%及88%。實施例2三塔組合結構體系如圖7、8、20所示，三塔組合結構體系由3個超高層塔樓組成，相鄰塔樓對稱設置， 地面以上136層，層高4. Om，建築總高度討細；整體建築平面呈三角形，各單塔採用框架核心筒結構體系，外框架柱距為7. 8m,每個單塔均由核心筒3為邊長11. 5m的六邊形和外框架筒4為邊長23m的六邊形的雙筒構成，共設有8道由伸臂桁架2與腰桁架(圖中未示出) 組成的水平加強層用於連接核心筒3和外框架筒4。在各個單塔之間分別在沿豎向的四個部位均勻設置4道連接桁架1，採用剛接方式進行連接。其中連接桁架1的頂部與伸臂桁架 2的上弦相連。連接桁架1的平均跨度為20m。連接桁架1採用鋼結構，鋼材材質為Q345。在相應測試條件下，先進行單塔計算，側向載荷作用下的最大層間位移角為 1/180，遠遠滿足不了規範層間位移角不大於1/500的限值要求。然後在三塔組合情況下，CN 102162306 A
說明書
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改變連接桁架的層數(決定連接桁架的高度)，分別為2層(如圖9所示)、4層(如圖10 所示)、8層(如圖11所示)、16層(如圖12所示)，側向荷載作用下的最大層間位移角分別為1/359，1/505，1/674，1/854，設置2層、4層、8層、16層連接桁架和單塔的情況相比，最大層間位移角減少達50 %，64 %，73 %，79 %，說明組合結構體系在性能優越性上相對單體
非常突出。實施例3四塔組合結構體系如圖13、14、21所示，四塔組合結構體系由四個對稱設置的超高層塔樓組成，地面以上136層，層高4.0m，建築總高度討細。單塔建築平面呈正方形採用框架核心筒結構體系，外框架柱距為10m，共設有8道由伸臂桁架2與腰桁架(圖中未示出)組成的水平加強層用於連接核心筒3與外框架筒4。單塔X方向高寬比達13. 6，Y方向高寬比為9. 07，大大超過規範限制，屬於非常高柔的建築。在相鄰各個單塔之間分別別在沿豎向的四個部位均勻設置4道連接桁架1，採用剛接方式進行連接。其中連接桁架1的頂部與伸臂桁架2的上弦相連。連接桁架1的平均跨度為20m。連接桁架1採用鋼結構，鋼材材質為Q345。在相應測試條件下，先進行單塔計算，側向載荷作用下的最大層間位移角為 1/139，遠遠滿足不了規範層間位移角不大於1/500的限值要求。然後在四塔組合情況下， 改變連接桁架的層數，分別為2層(如圖15所示)、4層(如圖16所示)、8層(如圖17所示)、16層(如圖18所示)，側向荷載所用下的最大層間位移角分別為1/457，1/620，1/781， 1/1107，設置兩層連接桁架和單塔的情況相比，層間位移角減少達69%，體系整體受力性能優良，抗傾覆能力和側向剛度隨著連接桁架層數的增加，側移有進一步減小趨勢，到16層時減少了 87. 5%，充分顯示了體系的優越性。只是隨著連接體層數的增加性能提升速度相對下降，應考慮實際設計需要和經濟性來決定連接體層數的合理設置。上述實施例僅以框架核心筒結構為例進行說明，本發明的組合塔式結構建築體系的單塔結構還可以為任何適合超高層建築的結構體系，只要根據實際工程需要，在各塔之間設置連接桁架組成一個巨型結構即可實現本發明的效果。本領域技術人員根據實際工程的需要，可以調節連接桁架的數量、設置高度、跨度等參數，使連接桁架符合安全性要求。最後應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明， 儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種組合塔式結構建築體系，其特徵在於，由兩個或兩個以上的等高的塔樓組合而成，相鄰塔樓沿中心線呈對稱設置；在所述兩個塔樓組合中，塔樓之間直接通過多個連接桁架剛接；在所述兩個以上的塔樓組合中，每個塔樓與其相鄰的兩個塔樓之間分別通過多個連接桁架剛接形成一個多邊形的組合。
2.根據權利要求1所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述塔樓為超高層塔樓。
3.根據權利要求1所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述連接桁架為鋼桁架。
4.根據權利要求1所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述各塔樓採用框架核心筒結構，其中核心筒與外框架筒之間由伸臂桁架組成的加強層進行連接；且所述連接桁架與各塔樓的伸臂桁架連接。
5.根據權利要求4所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述連接桁架的頂部與伸臂桁架的上弦相連。
6.根據權利要求4所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述的加強層還包括與伸臂桁架相連的腰桁架。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述連接桁架為2層高、4層高、8層高或16層高。
8.根據權利要求1所述的組合塔式結構建築體系，其特徵在於，所述二個塔樓組合中的各塔樓平面為矩形結構，連接桁架連接兩個長邊。
全文摘要
本發明公開了一種組合塔式結構建築體系，由兩個或兩個以上的等高的塔樓組合而成，相鄰塔樓沿中心線呈對稱設置；在所述兩個塔樓組合中，塔樓之間直接通過多個連接桁架剛接；在所述兩個以上的塔樓組合中，每個塔樓與其相鄰的兩個塔樓之間分別通過多個連接桁架剛接形成一個多邊形的組合。通過在多個塔樓之間設置由連接桁架構成的連接體，形成一個組合的結構整體；相鄰塔樓沿中心線對稱設置，且連接桁架與各塔樓之間採取剛接的連接方式，可以使各塔樓之間協調受力，較之於單塔，層間位移角顯著減小，整體抗側能力得到大幅度提高，是一種高效能結構體系。
文檔編號E04B1/00GK102162306SQ20111006452
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月17日 優先權日2011年3月17日
發明者劉先明, 王義華, 王力, 胡純煬, 範重 申請人:中國建築設計研究院