一种C形树状柱结构

一种c形树状柱结构
技术领域
1.本实用新型涉及建筑结构技术领域，尤其是涉及一种c形树状柱结构。


背景技术：

2.树状柱借鉴仿生学原理，天生具有建筑构件和结构构件的双重属性。从建筑层面，树状柱不仅有助于减少落地柱位，以获得更加开敞的空间，还参与到建筑空间塑造中，柱子不同的形式表现、材料选择、构造处理呈现出丰富的建筑空间形式。从结构层面，通过树状柱的拓扑建构，在有限的落地柱位条件下为楼(屋)盖结构提供充足的支点，减少其跨度，有助于减小楼(屋)盖结构受力。众多分枝为树状柱提供了多条传力路径，因此树状柱表现出良好的抗连续倒塌性能。
3.c形柱是树状柱的一种新形态，常见的树状柱一般由多层级分枝构件组成，相比之下，c形柱具有一个半开敞的弧形柱面，这提供了一个视觉创新的良好平台。利用虚实、明暗等建筑手法，结合内部装饰和泛光照明的的综合应用，可以营造出丰富多样的视觉效果。
4.由于c形柱环向不闭合，在竖向荷载作用下，c形柱有向外扩张的趋势，从而降低了c形柱的承载能力，这种缺陷限制c形柱的应用和推广。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种c形树状柱结构，弥补了目前c形柱结构在造型和受力上的缺陷，结构布置主次分明，传力路径清晰，次结构布置方式多样，可满足建筑多种造型的需求，并为其上的楼(屋)盖结构提供充裕的支承点位和支承范围。
6.本技术方案尤其是涉及一种不闭合倒锥形柱面的树状柱结构，以下简称c形柱结构。
7.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本技术方案的目的是保护一种c形树状柱结构，包括基座构件、主要传力构件、柱顶环向构件、网格构件，其中具体地：
9.主要传力构件下端与基座构件的上端连接，所述主要传力构件包括中央主要传力构件和边缘主要传力构件；
10.柱顶环向构件为收尾闭合的多段式连接件结构，柱顶环向构件连接于主要传力构件上端，使得柱顶环向构件与主要传力构件构成闭合结构，所述基座构件、主要传力构件、柱顶环向构件构成c形树状柱结构的主要传力骨架；
11.网格构件设于中央主要传力构件和边缘主要传力构件之间，实现主要传力骨架的连接。
12.进一步地，所述主要传力构件下端与基座构件上端连接；
13.所述边缘主要传力构件的上端与柱顶环向构件连接。
14.进一步地，c形树状柱结构中，所述基座构件上方部分的结构形态为倒锥形。
15.进一步地，所述中央主要传力构件和边缘主要传力构件为直线型构件或曲线型构件。
16.进一步地，所述中央主要传力构件和边缘主要传力构件为单根闭口截面的构件或桁架结构。
17.进一步地，所述网格构件由多个管件连接而成。
18.进一步地，所述管件为圆管或多边形管。
19.进一步地，所述主要传力构件与柱顶环向构件、基座构件之间为刚接或固定铰接。
20.进一步地，所述柱顶环向构件包括c型中央段、连接于c型中央段两侧的转折段、连接于转折段之间的连接段，所述c型中央段与转折段之间的连接点为转折点。
21.进一步地，所述边缘主要传力构件的上端与柱顶环向构件的转折点连接，中央主要传力构件的上端与柱顶环向构件的中点连接。
22.与现有技术相比，本实用新型具有以下技术优势：
23.(1)本实用新型提供了一种不闭合倒锥形柱面的树状柱形式的结构布置方法。利用了拓扑优化的分析手段，将主要传力构件布置于形态力学中受力最大的柱面边缘和中央位置。
24.(2)本实用新型在力学性能上主次分明，柱顶环向构件、主要传力构件和基座构件是c形柱的主体结构，构成了本实用新型的主要传力骨架。网格将主要传力构件连接起来，有助于提高主要传力构件的协同工作性能，加强了结构的整体性。
25.(3)本实用新型中主次分明的结构布置策略为柱面网格布置提供了较大的自由度，可以满足建筑不同造型的要求。
26.(4)柱顶环向构件利用环箍效应对半开敞的c形柱起到水平约束作用，提高整个柱子的刚度。
附图说明
27.图1、图8为本实用新型的结构示意图；
28.图2、图9为本实用新型的分解结构示意图；
29.图3为本实用新型的结构俯视示意图；
30.图4为本实用新型的结构正立面示意图；
31.图5为本实用新型的图结构侧立面示意图；
32.图6为本实用新型的结构轴测图；
33.图7为实施例2的柱面造型形态。
34.图中：1为基座构件，2为主要传力构件，21为中央主要传力构件，22为边缘主要传力构件，3为网格构件，4为柱顶环向构件。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
36.基座构件1位于整个c形柱的最下端，其上端为主要传力构件2下端的汇交点。
37.主要传力构件2位于不封闭的倒锥形柱面的中央和外边缘，其下端与基座构件上
端相连，边缘主要传力构件22的上端与c形柱柱顶环向构件4的转折点相连，中央主要传力构件21的上端位于柱顶环向构件c型中央段的中点。
38.网格构件3，该构件位于主要传力构件之间，沿双向或多向布置，形成网格结构。网格构件上端与柱顶环向构件相连，下端与主要传力构件相连。
39.柱顶环向构件4位于整个c形柱的最上端，将主要传力构件2和网格构件3的上端依次连接，形成环向闭合的结构。
40.在建筑领域，树状柱既是结构构件，起到传递建筑荷载的作用，同时也是建筑构件，参与建筑空间形象的塑造，这为树状柱的设计提出了传力能力和视觉观感的双重要求。从结构专业的角度，c形柱的设计主要关注以下方面：1、c形柱具有清晰明确的主要传力路径；2、c形柱具有良好的整体稳定性；3、c形柱的次结构形式丰富多样，以满足各种建筑效果的要求；4、c形柱具有多道备用传力路径作为二道防线，以提高柱子的抗连续倒塌能力。
41.本实用新型的c形柱中，根据拓扑优化分析结果，c形柱面的中央和边缘是柱子的主要传力路径，在这些位置布置主要传力构件；在主要传力构件之间布置网格结构，网格结构既作为次要传力构件，为树状柱提供更多的备用传力路径，同时将主要传力构件联系起来，保证主要传力构件的侧向稳定性，增加c形柱的整体性和稳定性；将主要传力构件和网格结构的顶部依次连接形成柱顶环向构件，柱顶环向构件平面投影必须闭合，以充分发挥环箍作用，从而起到限制c形柱侧向变形的作用，提高c形柱的承载能力。其中柱顶环向构件、主要传力构件和基座构件是c形柱的主体结构。
42.网格结构上端与柱顶环向构件连接，下端与主要传力构件连接。网格结构传递的荷载通过主要传力构件传递至基座构件，再向下传递至基础。
43.主要传力构件可采用直线形构件，也可采用曲线形构件，具体线形可根据柱面形状确定。
44.网格构件布置可根据建筑造型需求，采用具有形状稳定规则的网格形式。
45.主要传力构件可采用单根闭口截面的构件，也可采用贴合柱面的桁架结构。网格构件可采用圆管、矩形管等闭口截面构件。
46.柱顶环向构件可采用单根闭口截面构件，也可采用桁架结构，具体形式可根据树状柱体量及受力大小确定。
47.主要传力构件与柱顶环向构件、基座构件之间可采用刚接或固定铰接的连接形式，具体情况可根据主要传力构件的线形、角度和受力大小确定。网格构件上端宜与柱顶环向构件固定铰接，避免网格构件上端承受较大弯矩。网格构件与主要传力构件、网格构件之间应采用刚接连接，以保证c形柱的整体稳定性。
48.当基座构件为单根构件时，基座构件下端应采用刚接柱脚形式。当基座构件为多根构件时，基座构件下端可根据实际受力情况，采用刚接或固定铰接的柱脚形式，但应保证基座构件整体具有两个方向抗弯刚度。
49.主要连接构件与基座构件相交节点的位置可根据柱子造型确定，汇交节点受力较大，是整个c形柱的关键节点，宜采用铸钢节点整体铸造。当无法采用铸钢节点时，也应对此节点进行特殊加强。
50.实施例1
51.本技术方案中的c形柱结构，其结构布置如图1～图6所示，包括基座构件1、中央主
要传力构件21、边缘主要传力构件22、网格构件3和柱顶环向构件4。此实施例结构构件全部外露。
52.c形柱柱高约30m，在柱面边缘布置边缘主要传力构件22，在柱面中央布置中央主要传力构件21，整个c形柱关于中央主要传力构件21对称。主要传力构件21为圆钢管，其截面直径为750mm，壁厚为30mm。基座构件1位于对称轴上，为竖直的圆钢管，其高度为11m，截面直径为1200mm，壁厚为40mm，内灌c40微膨胀混凝土。在柱面上边缘布置环向构件，并将两根边缘主要传力构件22的上端以直线连接起来，二者共同构成环向闭合的柱顶环向构件4，柱顶环向构件4采用圆钢管，其截面直径为500mm，壁厚为25mm。基座构件1、主要传力构件2、柱顶环向构件4共同构成本c形柱的传力主骨架。
53.由于本实施例关于中央主要传力构件对称，因此仅介绍半片c形柱的网格构件布置方法。将边缘主要传力构件10等分，将中央主要传力构件上端和边缘主要传力构件上端之间的弧形柱顶环向构件10等分，将上述两种对应等分点分别连接起来，形成柱面网格的经线。将中央主要传力构件7等分，将柱顶环向构件靠近中央传力构件的5个10等分点与中央传力构件的靠上的5个7等分点分别连接起来，形成网格的部分纬线。将柱顶环向构件靠近边缘传力构件的4个10等分点与边缘传力构件靠上的第2个、第3个、第4个和第7个10等分点分别连接，形成网格的剩余纬线。以上网格经线和纬线均贴合柱面曲率布置。将边缘传力构件和中央传力构件最下方的10等分点以直线分别连接，形成环向闭合的水平三角形结构，为主要传力构件提供一定的环向约束。网格构件均采用圆钢管，其截面直径为299mm，壁厚为8mm～16mm不等，根据实际受力情况确定。
54.基座构件下端采用刚接柱脚，主要传力构件上下端均采用刚接连接节点。网格构件与柱顶环向构件及主要传力构件之间采用相贯焊连接。
55.本实施例树状柱造型新颖独特，结构布置规则而富有韵律感，满足建筑对树状柱的造型要求。本实施例主要传力构件和网格构件为其上的屋盖结构提供一系列的支承点，为屋盖结构提供良好的支承条件。
56.实施例2
57.本实施例树状柱造型与实施例1相似，柱高约40m，本实施例c形柱结构外覆不锈钢板装饰，局部网格镂空。c形柱结构要为装饰构件提供支承，且构件不能布置于网格镂空区域，柱子形态如图7所示。
58.经与建筑专业的充分沟通，镂空区域避开主要传力构件位置。中央主要传力构件采用矩形管，其截面高度为850mm，宽度为500mm，壁厚为40mm。矩形管的截面形式保证了主要传力构件的轴向刚度和主轴方向的抗弯刚度；截面宽度较小，为建筑装饰提供了更多空间。边缘主要传力构件采用桁架结构，桁架贴合柱面布置，其高度为3m。桁架结构加强了边缘主要传力构件对c形柱边缘的侧向约束刚度。桁架构件采用圆钢管，其弦杆截面直径为700mm，壁厚为16mm～30mm不等；腹杆截面直径为351mm，壁厚为10mm～16mm不等。网格构件避开柱面镂空区域，网格构件采用圆钢管，其截面直径为299mm～402mm，壁厚为8mm～16mm不等。基座构件采用圆钢管，其截面直径为1400mm，壁厚为50mm。本实施例结构布置如图8、图9所示。本实施例各部分连接形式与实施例1相同。
59.与实施例1相比，本实施例中央主要传力构件改为矩形管，截面有所增大，提高了构件的轴向刚度和沿主轴方向的抗弯刚度，以适应更大的传力需求。边缘主要传力构件改
为桁架结构，提高了边缘主要传力构件对c形柱的侧向约束能力和传力能力。
60.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。