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发表于2020-06-28     243人浏览     2人跟帖     总热度:517  

超高层建筑的纽带—连体结构

以下文章来源于结构小站 ,作者严从志

 0   缘来

去年跟着领导接触了一个复杂的三连体建筑,几经波折,终于快完成最终施工图。超高层连体建筑的受力相对常规超高层结构更加复杂,借此机会参考院里课题《连体结构连接方案的选择与设计》将超高层连体建筑的分类、受力特点、工程案例进行了整理供大家参考,其中主要资料均来自相关文献、院里课题及工程项目。

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高层连体结构作为一种新型复杂高层建筑类型,拥有优美的建筑外观,其不仅可以节省建筑所需的土地面积,塔楼之间的连接体位置(如高空连廊)能提供开阔的观光视野和独特的视觉效果,因而其建筑形式得到广泛应用。


 1   连体的分类

(1)按塔楼数量分类

按照塔楼数量可以分为双塔连体三塔连体多塔连体
实际工程中,最常见的是双塔连体,如新央视大楼,吉隆坡的双子塔,北京丽泽SOHO,苏州东方之门,大阪梅田大厦等。

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▲常见的双塔连体

三塔连体数量则相对较少,如新加坡的金沙酒店,南京金鹰天地广场,宝安公关文化艺术中心以及温州中心等。

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▲常见的三塔连体

多塔连体,如重庆的来福士广场(4塔),北京当代MOMA(6塔),杭州市民中心(9塔)


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▲多塔连体

(2)按塔楼的位置分类

按塔楼的位置可以分为对称连体非对称连体。非对称连体结构的平扭耦联效应明显,受力复杂。如新央视大楼,南京金鹰天地广场,宝安公共文化艺术中心等。大部分连体结构会至少关于一个轴对称,如吉隆坡的双子塔,上海凯旋门大厦等。


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▲非对称连体和对称连体

(2)按连接强弱分类


按照塔楼与连接体的连接强弱可以分为柔性连接刚性连接
柔性连接是指连接体可以通过隔震支座等于塔楼相连,连接体对塔楼的结构动力特性几乎不产生影响。如吉隆坡的双子塔,北京当代MOMA。

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▲采用柔性连接的吉隆坡双子塔

刚性连接是指连接体于主塔楼有可靠连接,可以协调塔楼间的变形差异,其中又分为弱连接强连接。弱连接指连接体刚度相对塔楼较小,使整体结构产生一定的整体弯曲作用,如宝安公共文化艺术中心。

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▲采用弱连接的宝安公共文化艺术中心

强连接是指连接体刚度相对刚度较大,使塔楼间产生显著的抗弯作用,如新央视大楼,南京金鹰天地广场以及苏州东方之门等。

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▲强连接连体


 2   受力特点

相对于一般超高层单塔于多塔结构,超高层连体结构体型复杂,连体的存在使得各塔楼相互约束,相互影响,结构在竖向和水平荷载作用下的受力性能复杂,影响因素众多,如:
(1)塔楼的数量和结构形式;(2)结构的对称性;(3)连体的数量,刚度,位置;(4)塔楼的间距;(5)塔楼与连体的连接强弱等等。

1.动力特性复杂
下图是东方之门和南京金鹰的几个典型模态。可以看到塔楼相连之后,整体刚度增大,但刚度不同的塔楼被连体协调变形后的模态特性难以预知,振动模态复杂。

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▲东方之门的几个典型模态

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▲南京金鹰的典型模态

2.扭转效应显著
与其他体型的结构相比,超高层连体结构扭转变形大,平扭耦合效应明显,结构平动模态中扭转分量也有明显增加。扭转效应随着塔楼不对称性程度的增加而加剧。
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▲南京金鹰的前三阶模态
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▲东方之门的前三阶模态

3.连体受力复杂
对于刚性连接的连体来说,连体在重力荷载、风荷载、地震荷载作用下,往往处于拉、压、弯、剪、扭等多种应力状态下,受力复杂。


4.风环境复杂
由于多塔相对位置复杂,如塔楼距离、连体形状、相对角度等,对风荷载影响较大。

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▲宝安公共文化艺术中心的风洞试验及坐标定义

5.竖向地震影响明显
由于一般连体跨度加大,荷载较重,对竖向地震较为敏感。

6.施工顺序对结构性能影响大
不同的施工顺序和施工方法对连体结构的受力会产生巨大影响。如连体在何时连接,对结构的内力及变形产生很大影响。从下图可以看到,考虑施工顺序后,Y像位移增大了约14.2%。

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▲宝安公共文化艺术中心的一次加载与施工模拟的对比

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▲新央视大楼的施工模拟


 3   连体连接强弱的判别

连体作用的强弱,我们可以用筒体轴力形成的整体倾覆力矩与整个结构在水平作用下的倾覆力矩的比值来判断。简化如下所示。


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下图是宝安公共文化艺术中心的倾覆弯矩的比值,可以看到连体对结构整体倾覆力矩的贡献很小,只有5%和15%,因此这里的连体为刚性连接中弱连接。
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▲宝安公共文化艺术中心的倾覆弯矩比


 4   工程案例
新央视大楼
建筑设计:OMA
结构设计:ARUP & ECADI
连体形式:刚性强连接

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新央视大楼

“我们致力于创造一座富有标志性的建筑,公平的展现当今中国最美的一面。我们希望央视大楼在城市中的作用不仅仅是地标,而更是积极活跃的参与者”。
—雷姆.库哈斯

位于北京东部CBD的央视大楼,由两座向内倾斜的塔楼连接构成,从不同角度看上去造型各异,一道门,像两个紧挨着的字母“Z",也像一座被折叠的摩天楼。这样横向的建筑造型被中国网民戏称为“大裤衩”

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新央视大楼

中央电视台新大楼自从方案公布以来, 引发了中国建筑史上空前的关注与争议在长达10 年多的时间甲谣传! 非议! 直至今日大楼已经完工人们对它或惊喜!或扣忧! 或批评的声音依旧不绝于耳, 它似乎一直没有完全得到中国建筑界及普通大众的理解和认可然而. 大多数关注和争议都止步于其独特的外型,对其实质的设计与实施过程也缺乏全面的了解。

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新央视大楼

(1)建筑方案演变
央视大楼的三维环状造型来自于对最简单的立方柱体的几何切割。以160mx160mx234m的方柱体为原始几何体, 在其四个侧面向内切除,形成一个侧面向内呈6度 倾斜的对称梯形台,沿着梯形台的一个外角切除一个10mx100mx161m的、与外侧面平行的小梯形台。最后在顶部以一个与水平面呈8度的平面做顶部切除,做减法剩下的几何形体便是央视大楼主楼的最终造型。将这个方柱体的接地轮廓向南、向西各拓展40 m,形成一个200mx200mx6m 的基座,如下图所示。

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新央视大楼方案演变

(2)结构方案演变
央视大楼的主结构分布在建筑形体外层, 是由梁、柱和斜撑共同组成的连续空间网筒结构。大楼特殊的几何造型导致外筒杆件受力不匀, 故设计将斜向交叉的钢构件- 斜交格构- 在受力较大或较小的区域增加或减小密度,如下图所示

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新央视大楼的受力分析

大楼的幕墙支撑结构为菱形板块。该结构与建筑外筒主结构的斜撑体系完全平行标准菱形板块高度跨越4 层楼。随着结构受力的增强或减弱板块尺寸也相应变小或变大最终大楼外表皮呈现出不规则的菱形图案。网格约密,颜色越深,表示受力越大,如下入所示。

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新央视大楼的受力分析

(3)结构特点
由于其特殊的倾斜连体造型,其抗震设计及工程施工所面临的难题是前所未有的。

悬臂部分最大长度75m,5万吨重量需要由悬臂结构承担并传递至塔楼。主楼的两个塔楼倾斜而在顶部连接并相互支承,主体结构以带斜撑的巨型外筒提供整体刚度和稳定性。

斜撑立面布置反映力学特征,在高应力的区域,支撑布置比较密,在低应力区域,支撑布置比较稀。

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新央视大楼的外筒体结构

由于中间的连体部分对两个筒体起到连接、相互支撑的作用,因此施工过程对结构内力分布影响非常明显。合理的施工次序和加载顺序可以调整倾斜塔楼以及连体结构的内力布。新央视大楼最终的施工方案是塔楼、裙楼独立施工,悬臂结构外伸合拢。

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丽泽SOHO
建筑设计:扎哈.哈迪德建筑事务所
结构设计:B+G & CABR & BIAD
连体形式:刚性强连接

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▲北京丽泽soho

丽泽SOHO是著名设计师扎哈·哈迪德的收官之作,项目DNA双螺旋结构复杂,幕墙板块有1700多种,200m高的中庭属世界之最。
(1)建筑方案演变
设计灵感源于DNA双螺旋,楼体线条反对称曲面流畅远观如巨龙盘旋,夜晚近看楼体通透晶莹宛若一颗璀璨的“夜空之眼”,让人感觉像置身于科幻大片之中。
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(图片来源:archdaily网站)
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▲双螺旋形

网上有很多资料详细解释了建筑形体的由来,在这里小编就不再详细解释了。

(2)结构方案
结构高度191.5m,由两个反对称的单塔建筑组成。可以看出,单塔结构各层呈现螺旋形上升,从底部到顶部旋转了45度,并且在上部存在大悬挑。由于该结构的旋转造型,导致结构在竖向荷载作用下,即产生水平的扭转作用。因此,单塔结构自身难以成立必须双塔之间设置桁架以保证双塔共同工作
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▲单塔模型示意图

在方案阶段,结构工程师针对建筑的形体特征,对比了不同的结构方案。
方案1:圆钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系,双塔之间每隔5层设一道一层高的桁架连接,挑空区的幕墙面不设支撑上部结构的立柱或斜撑。

方案2:圆钢管混凝土框架-支撑结构体系,双塔之间每隔5层设一道联系楼板,挑空区的幕墙面按幕墙的龙骨造型设置支撑,支撑刚度较弱。

方案3-1:圆钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系,双塔之间每隔5层设一道联系楼板,挑空区的幕墙面设立柱支撑上部结构;

方案3-2:圆钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系,在方案3-1的基础上,在两个单塔的周圈斜柱上打一道斜撑,斜撑数量较少,在幕墙内和幕墙外的立面,每一个楼层仅出现一根斜撑;

方案3-3:圆钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系,在方案3-1的基础上,将立柱换为斜柱。

方案4-1至4-3为圆钢管混凝土框架-支撑结构体系,将方案3-1至3-3的钢筋混凝土核心筒替换为圆钢管混凝土框架-支撑核心筒。

方案5,在方案4-1的基础上,去掉支撑立柱,加大两单塔之间的连梁,考察立柱对结构反应的影响。各对比方案模型如图5所示。
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▲单塔模型示意图

可以看到,方案2的连接刚度太弱,在竖向荷载下的扭转位移太大,因此是不成立的,结合建筑功能及造型,最终的确定了方案一。

在方案一的基础上,结构工程师还分析了不同部位连桥方案对结构整体性的影响,初步确定了丽泽SOHO的结构体系。
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▲不同的连桥方案
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▲最终的结构体系组成
最终的结构主要由筒体-单侧弧形框架的两个单塔与椭圆形腰桁架组成,双塔之间在第13、24、35层每个设备层及顶层处各设置一道连桥及腰桁架。结构的抗侧力体系主要由以下几种构件组成:圆钢管混凝土斜柱、钢筋混凝土核心筒、腰桁架、塔楼之间的连桥等。
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▲楼层结构示意图
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▲典型平面布置图
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丽泽soho的连桥结构

从下图中的施工照片更能清楚的看到腰桁架以及双塔之间的连桥结构。
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▲丽泽soho的施工照片

可以发现,丽泽SOHO中的连体结构是一种“强连接”,单个塔体在结构上是不成立的,必须通过连体的作用来保证两个塔体共同工作。

重庆来福士广场
建筑设计:Moshe Safdie
结构设计:ARUP
连体形式:柔性连接
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▲重庆来福士广场

最近,网红建筑重庆来福士广场上250m高300m长的水晶连廊正式向游客开放了。
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▲重庆来福士广场水晶连廊

八座微倾的摩天塔楼犹如江面上强劲的风帆,其中两座更高达350米。长400米的水晶廊桥在250米的高空连接起四座酒店、商场和休闲设施。

(1)建筑方案演变
在重庆来福士的设计中建筑师汲取重庆传统航运文化将渝中半岛想象成为行驶的帆船
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▲方案手稿
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▲方案立意

老爷子的另一个代表作便是新加坡的加沙酒店,可见老爷子对这一设计手法是情有独钟。
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▲新加坡金沙酒店

(2)连桥的结构设计
顶部250m高300m长的水晶连桥是重庆来福士广场的标志性特点。
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▲重庆来福士的连桥

在250m高空连接4座塔楼,对结构设计来说是一个非常大的考验。
ARUP的工程师在初期,针对连桥的连接方式提出了五种连接方式:

1)整体连接;2)独立连接( 设置防震缝) ;3)动态连接( 单设抗震支座);4) 动态连接( 抗震支座与阻尼器的组合) ;5部分塔楼固定连接与部分塔楼动态连接。
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重庆来福士的连桥方案

最终从位移需求、剪力需求、用钢量以及塔楼和连桥间的相互影响等多方面,确定了动态连接(抗震支座与阻尼器组合)方式作为最终连桥支座方案,是属于典型的柔性连接

该连接方案可以在一般情况下(如风、温度)将天桥和塔楼固定在一起,而在发生剧烈地震时允许一定的晃动空间,耗散地震产生的巨大能量。而隔震支座和阻尼器一起又可以提供自我复位的能力。
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▲连桥与塔楼的连接示意

连桥安放于4 个塔楼上,每个塔楼上均安装6个隔震支座。两组阻尼器于左右两侧控制东西和南北方向变形。在塔楼顶部5m,设有转换结构,支座安装在3m 宽、5m 深的转换梁上。
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▲连桥与塔楼的连接示意

连桥的主桁架为3 组东西向连续桁架并跨越4个塔楼,垂直于主桁架方向大约每4.5m 安装一梯形次桁架连接3 组主桁架。
微信图片_20200628200421▲连桥结构体系示意图
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▲连桥结构施工过程

连桥构件主要于反弯点(塔楼两侧)断开,设置连接点方便施工后期连接中间段。两组从连桥主结构悬挑出的小连桥作为连桥与北塔楼之间的建筑通道,但结构上小连桥与北塔楼之间设置抗震缝。
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重庆来福士广场项目体量大且结构复杂,对于结构工程师是一个巨大的挑战,结构设计应不拘泥于传统结构形式,敢于创新,使得结构安全合理,并最大程度体现了建筑效果

南京金鹰天地广场
筑设计:法国何斐德建筑设计公司
结构设计:ECADI
连体形式:刚性强连接
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▲南京金鹰天地广场
金鹰天地广场项目由三栋高度均超过300m 的超高层建筑在高空连体而形成,是目前全世界在建的、高度最高的、连体跨度最大的非对称三塔连体结构
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▲三维结构示意图

三栋塔楼均采用框架-核心筒混合结构体系。通过5 层高的连接体将三个塔楼在191.5~232m处将三个塔楼连接在一起 。连接体采用5层高的钢桁架,连接体的钢桁架贯通相互连接的两栋塔楼,将三个塔楼强有力的连接在了一起,并在连接体底部设置了双向交叉桁架,是一个典型的刚性强连接体。
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▲连接体示意图

刚性强连接体的连体方案,有效实现了三栋塔楼的共同作用,极大提高了整体结构的抗侧刚度,达到了1+1+1>3效果。因此,在三栋300m以上高度的塔楼,仅设置一道伸臂桁架就能达到结构的刚度需求。
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▲伸臂桁架布置

刚性连接体虽然增加了连体结构的整体抗侧刚度,但刚度不同的塔楼被连接体协调变形后,也带来一系列的设计难点。比如强连接体的平扭耦合效应明显,结构易发生整体扭转现象。由于刚性连接体的存在,连接体与相邻楼层容易出现刚度突变等。
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▲整体扭转现象

宝安公共文化艺术中心
建筑设计:ECADI & CAAU
结构设计:ECADI
连体形式:刚性弱连接
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宝安公共文化艺术中心

宝安公共文化艺术中心由博物馆、艺术馆、美术馆三个筒体组成,整个建筑是支撑在三个筒体上,而三个筒体在不同高度处通过连体两两相连。
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▲三维示意图

建筑的高度为99.6m,建筑体量不大,但是整个建筑只有三个筒体落地,其他部分均是悬挑或者连体实现的。最大的悬挑长度达到了43.5m。
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▲结构三维示意图

整个结构主要由落地结构和悬挑(连体)部分结构组成。
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▲结构组成

从结构的剖面图可以更清晰的看到,除了落地的筒体部分,其他大部分均是超大悬挑,设计中采用了斜拉杆+框架、桁架以及空腹桁架几种结构形式。
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▲结构悬挑部分

落地筒体之间在不同的标高处,由低到高按顺时针的方向通过连体两两相连。筒体M与筒体A,在12.6~39.0m的高度通过连体C1相连;
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▲连接体三维示意图

筒体A与筒体G,在12.6~80.0m的高度通过连体C2相连;筒体G与筒体M,在80.7~92.25m的高度通过连体C3相连。
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▲连接体示意图

文章开始,我们以宝安为例,分析了倾覆弯矩的比值,宝安的连体为刚性连接中弱连接。
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▲宝安公共文化艺术中心

苏州东方之门
建筑设计:RMJM & ECADI
结构设计: ECADI
连体形式:刚性强连接
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▲苏州东方之门

苏州东方之门,总高度为281.1m,相当于法国凯旋门的6倍,被誉为“世界第一门”,两栋塔楼虽然看上去是对称的,其实是不对称的,分别为66层和60层,双塔在顶部230m高空相连,连体部高度约52m。

(1)造型的由来
东方之门的主要投资与控股人杨休钟爱苏州园林的古朴写意之风,他不拘泥于那些已有的商业开发设计理念,而希望在项目中体现他个人的抱负。

英国RMJM事务所的建筑方案创意在意向上源自中国传统的花瓶门及月洞门,将它们的曲线进行提取和整合,既表达独特的中式神韵,又体现现代的科技语言。正是这一具有中国古典气质的概念打动了业主。
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苏州花瓶门与月洞门
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苏州之门造型演变
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苏州之门概念图

(2)连体设计
“东方之门”两塔楼在约230m 高度处连成一体,连体以上共有9 层,总高约52m。这里的连体的连接与新央视大楼一样,是刚性连接。
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苏州之门结构立面示意图

连接体部分的结构布置采用沿第4 加强层处纵向( X 向) 设置了5 榀空间桁架,外围4 榀边桁架与该层带状桁架相连,由于连体以上的柱网布置与下部柱网不一致,沿X 向的5 榀桁架同时作为转换桁架用于
承托连体以上结构重量。
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连体平面示意图
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连体剖面示意图
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▲苏州东方之门


温州中心
建筑设计:ECADI
结构设计:ECADI
连体形式:柔性连接+刚性连接
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▲温州中心

温州中心是由三栋超高层塔楼在128~163.m的高空相连。塔楼A1和塔楼A2之间的连体为一层,其中一端与塔楼A1固定刚接,另一端通过隔震支座搁置在塔楼A2的大屋面上。塔楼A2和塔楼A3之间的连体是三层高,与两座塔楼均是通过固定铰支座相邻。
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▲温州中心的平面布置和整体模型
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▲塔楼之间的连体布置

塔楼A1和A2之间的连体属于典型的柔性连接,塔楼A2和A3之间的连体属于刚性连接。

还有很多有名的超高层连体结构,由于篇幅原因,不再详细介绍每个超高层连体的具体设计。
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▲吉隆坡双子塔

空中桥梁建在第41和42层,距离地面170米处,长58.4米。用于连接和稳固两栋大楼,开放所有观光客参观。
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▲金沙酒店

新加坡金沙酒店,三栋塔楼支撑着一个巨大的空中花园,空中花园的游泳池长150m,是世界上高度最高、面积最大的游泳池。
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▲市北高新塔楼

两栋塔楼建筑高度分别为约 130m 和 100m,并在标高87.250m~95.750m 之间设置连体,连体跨度为59.85m,宽度32m,高度8.5m,连体屋面为屋顶花园。
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▲杭州绿地城市之门

杭州绿地城市之门是由东西对称的两栋超高层塔楼组成,塔楼底部由约高22m的钢结构拱连桥相连。
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▲上海交银金融大厦

上海交银金融大厦属于不对称双塔连体,北塔楼高230.35m,在第13、26、39层分别用一层高、净跨12.4m的两个空间钢桁架将两个塔楼相连。
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▲腾讯滨海大厦

连体分别在3~6层( 标高11.5~29m,连 接体跨度 48m) 、21~26 层( 标高 97~120m,连接体跨度45m) 、34~38 层( 标高155~175m,连接体跨度47m)。
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▲西安科迈商业中心

两栋塔楼高度分别是207.25m和153.85m,在标高93.4m处设空中连廊,连接体共两层,连接体高度13.15m。
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▲武汉保利广场

主塔高219m,主、副楼在层16~20(共5层)通过钢结构连接为一个整体,连接体跨度为42.5m。
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▲北京新保利大厦

北京新保利大厦是由三栋非对称不等刚度的混凝土剪力墙和两种类型的钢结构连体组成。东北立面连体跨度约为60m,钢结构连体为巨型桁架体系,南立面连体跨度为45m,连体为11层高的空腹桁架。
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▲上海国际设计中心

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▲大阪梅田大厦

大阪梅田大厦,高度173m,40层,连体位于39~40层,连体跨度54m,为刚性连接。

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▲杭州市民中心

杭州市民中心,塔楼高度约102m,6个塔楼通过6个连体相连。6个连体的跨度分为34.05和57.28m两种,高度为两层高,位于23~24层,离地面高度为84m。连体底部四个角点与塔楼采用摩擦摆式支座相连,其中两个支座双向可动,一个支座环向可动,径向固定,一个支座双向固定。连体形式属于典型的柔性连接。

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▲上海证券大厦

上海证券大厦,高120m,连体位于10~18层,跨度63m,连体为两拼支撑在塔楼筒体上的钢框架。

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▲北京当代MOMA

MOMA包含7个连廊跨度分别长24.8~54.5m,距离地面高35.~58.5m。连廊支撑处使用摩擦摆式支座作隔震处理。

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▲上海凯旋门

上海凯旋门,高度99.9m,连体支撑体系为位于27层的两根深梁,26层是由27层深梁下的吊柱支撑。


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▲巴黎德方斯大门



巴黎德方斯大门由两座110m高的办公楼连接而成,连体净跨约为60m,高约20m,连体为3层高预应力混凝土箱型大梁+双井式巨型空腹桁架。

 5   小结

对于复杂连体结构,连接体不仅将彼此独立的建筑单体融合起来,成为更有气势的大型连体建筑结构,同时还将各单体的结构性能耦合起来。主要体现在结构的静力、动力性能以及抗震性能发生了明显变化,原来独立工作的单体开始互相作用,相互影响,耦合起来的连体结构在地震作用下呈现复杂的受力现象。

参考资料:  
[1] 连体结构连接方案的选择与设计,华东建筑设计研究总院.
[2] 姚东梅. 媒体之城-从“”到“”解读中央电视台新大楼设计. 
[3]汪大绥,姜文伟,包联进,张富林,王建,孙战金,童骏,黄永强,刘志斌.CCTV新台址主楼结构设计与思考[J].建筑结构学报,2008(03):1-9.
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超高层建筑的纽带—连体结构_33
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 发表于2020-06-28   |  只看该作者      

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超高层建筑的纽带—连体结构

 发表于2020-07-03   |  只看该作者       筑龙币+10

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