CN1144866A - 高层和超高层建筑框架结构设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高层和超高层建筑框架结构设计、施工方法，包括框架柱(1)、横向框架梁(2)、纵向框架梁(3)和简支梁(4)的设计施工，两层楼为一框架设计施工单元，横向框架梁(2)和纵向框架梁(3)为预制构件，分别用临时支撑(8)安放在墙体(5)上，但两者不在同一标高上，每一道框架梁包括横向框架梁(2)和纵向框架梁(3)承担两层楼的荷载，待竖向荷载加上后，再将横向框架梁(2)和纵向框架梁(3)的端部和框架柱(1)浇筑在一起。该方法和现有技术相比，具有设计科学合理，施工方便、缩短施工工期、提高***率、节省建筑材料、能使高层和超高层建筑物的抗震性能大大提高等特点，因而，具有很好的推广使用价值。

Description

高层和超高层建筑框架结构设计施工方法

本发明涉及一种抗震建筑的设计施工方法，具体地说是一种高层和超高层建筑框架结构设计施工方法。

当前通用的高层和超高层建筑抗震结构，框架部分的设计施工多采用现浇梁、现浇柱的设计施工方法，其存在的不足有：

一、抗脆性剪切破坏的能力差；

如多数住宅、宾馆、办公楼及其公共建筑的层高约2.8--3.3米之间，框架柱的净高约在2.1M--2.7M之间，框架柱的长边在500mm--650mm之间，建筑设计抗震规范GBJ11-89第6.3.5条的规定：框架柱净高与截面高度之比不宜小于4，框架柱净高/框架柱长边≤4，故此柱子的净高接近“短柱”的边缘，在有些高层和超高层建筑底层的框架柱已进入”短柱”范围。通过以往的地震灾害和实验证明，发生脆性剪切破坏的部位主要在“短柱”上，特别是在突然发生强烈地震的情况下，建筑物因“短柱”的抗脆性剪切破坏能力差而使建筑物损坏的比例最大。为了满足：柱子净高/柱子长边≤4，的设计规范要求，现有的建筑设计师们在高层和超高层建筑设计施工中主要采用增加框架柱箍筋的措施来解决“短柱”的抗脆性剪切破坏能力差的弱点，但在实际的设计与施工中框架柱的几何形状已成定型，只是顾此失彼的问题，所以还是不能从根本上解决“短柱”的抗脆性剪切破坏能力差的不足。

二、施工效率低、施工工期长；

在现行的高层和超高层建筑施工中，框架梁、框架柱、墙体的施工全部是现场浇筑，因而效率低、工期长，工期每延长一年，基建投资损失约20％-30％。

本发明的目的是提供一种施工效率高、施工周期短、即能满足设计规范要求，又不出现“短柱”的高层和超高层建筑框架结构设计施工方法。

本发明的目的是按以下方式实现的，在设计施工中采用两层楼体结构为一建筑框架设计单元，以增加框架柱的高度，在一建筑框架设计施工单元中的两层楼施工是将第一层楼板吊装在框架梁上，立即在第一层楼板上砌墙体，然后将第二层楼板吊装在墙体的二分之一处，最后将墙体砌到安放上框架梁的位置，再进行框架柱的浇筑，将下部框架柱与加上竖向荷载后的下部框架梁浇筑在一起，一个建筑框架设计施工单元施工完毕后再进行第二个建筑设计施工单元的施工，依次向高层进行。框架柱的高度增加到两层楼的高度，就可完全避免因地震引起的脆性剪切破坏。其理由是：在一定范围内，框架柱的“侧移刚度”D值随框架梁的线刚度的增加而增加，虽然适当地增加框架梁的“线刚度”可以提高框架柱的D值，以对抗震有利，一层设一道框架梁，荷载小，框架梁的高度不需要很高，但“线刚度”却不会提高。如采用一层框架梁承担两层楼的荷载，虽然荷载增加一倍，但框架梁高却不需增加一倍，原因是框架梁的线刚度与框架梁高的立方乘积成正比，稍微加大框架梁的高度，即增加了框架梁的荷载，又可大大提高框架梁的“线刚度”，同时也提高了框架梁的抗弯能力和框架柱的抗震能力，还可节省钢筋水泥的消耗，可谓一举三得。

另外，现浇框架梁、框架柱的接点是刚性连接，框架梁的竖向荷载可使框架柱产生弯矩，故框架柱是大偏心受压构件，多数处于大偏心状态，所以，当地震来临时，框架柱的最大抗弯矩极限低于原有框架梁的竖向荷载对其所施加的弯矩和地震所产生的弯矩之和。现有技术为了增加框架梁的抗竖向荷载对框架柱所产生弯矩能力，只有增加钢筋的用量，这不仅增加了钢筋的消耗，同时也给混凝土的浇筑施工增加了难度。

为了提高施工效率和缩短施工周期，减少框架梁的竖向荷载对框架柱产生弯矩，将现浇框架梁改为预制框架梁，在框架梁的两端留出和框架柱连结浇筑的钢筋头，施工时，先在该框架梁上铺设楼板，砌筑墙体，铺设第二层楼板，当墙体砌到上部框架梁的高度时，下部框架梁上的竖向荷载已大部分加上，框架梁的受压弯曲已完成，此时开始浇筑框架柱，将框架梁和框架柱浇筑在一起，这时框架梁和框架柱之间虽形成的刚性连接，但框架梁对框架柱却不产生弯矩，或产生很小的弯矩。将上部框架梁吊装上，紧接着在该框架梁上吊装一层楼板、砌墙体和吊装第二层楼板，再进行下一建筑框架设计施工单元的施工。如遇到无内隔墙的房间，在框架柱中间设牛腿或梁托承担简支梁及其以上的荷载。理论是：预制框架梁在未与框架柱浇筑前将两层楼的墙体和两层楼的楼板吊装砌筑完毕，也就是将框架梁所要承担的绝大部分的竖向荷载全部加上，此时框架梁的支座角位移不受限制和约束，施加在框架柱上的弯矩是零，当混凝土达到强度之后，框架梁和框架柱只承受少量的楼面可变荷载所产生的弯矩，此时的框架柱是小偏心受压构件，而框架柱的竖向受压面积增加，能充分发挥钢筋混凝土的抗压性能，由于框架柱中的受拉钢筋少，应力低，按构造要求使用最低配筋即可，受压钢筋也可充分利用，因而框架柱的受力状态可产生本质性的改善，这不仅节省大量的钢筋混凝土的消耗，缩短施工工期，更主要的是各层框架柱在整体抗震性能上有了大大提高，当地震来临时就会有足够的抗弯矩能力抵抗地震对框架柱所造成的破坏。

附图1为的高层和超高层建筑框架设计施工单元的框架柱与横、纵框架梁的结构示意图；

附图2为12层和6层建筑的框架梁和框架柱的结构平面图。

参照说明书附图对本发明的作以下详细地说明。

本发明的高层和超高层建筑框架结构设计施工方法，包括框架柱[1]、横向框架梁[2]、纵向框架梁[3]和简支梁[4]的设计施工，两层楼为一框架设计施工单元，横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]为预制构件，分别用临时支撑[8]安放在墙体[5]上，但两者不在同一标高上，每一道框架梁包括横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]承担两层楼的荷载，待竖向荷载加上后，再将横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]的端部和框架柱[1]浇筑在一起。施工时，每一框架设计施工单元的下部的横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]吊装完毕后，将第一层楼板[6]吊装在横向框架梁[2]或纵向框架梁[3]上，立即砌筑墙体[5]，将第二层楼板[6]吊装在墙体[5]的二分之一高度上，然后将墙体[5]砌筑到安装上该框架施工单元的上部横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]的高度，开始浇筑框架柱[1]，将框架柱[1]与横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]浇筑在一起，再将上部的横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]吊装到墙体[5]上，以此类推进行下一单元施工。在没有间隔墙房间的框架柱[1]上设支撑简支梁[4]的梁托或牛腿[7]。

实施例：以下举一12层的抗震建筑设计，以证明本发明的可行性：(为了描述方便横向、纵向框架梁均简称框架梁)

设计要求：建筑的层高3M，间距4.2M，总高36M，内墙体全部为实心砖墙，外墙是大窗户，按实心墙50％计算自重，分别按12层框架和6层框架进行设计施工计算对比。

设计条件：

1、建筑场地：中硬地土。

2、地震设防：7度，按近震规定执行。

3、按重要性分类：丙类建筑。

4、抗震等级：二级。

5、混凝土等级：C25

6、水平地震效应框架柱弯矩用D值法计算。

7、使用规范：GBJ-11-89建筑抗震设计规范。

             GBJ-10-89混凝土结构设计规范。

             GBJ-9-87荷载规范。

荷载计算：

楼面活荷载：KN/M2    2.0×1.4＝2.8

楼板自重：  KN/M2    2.5×1.2＝3.0

楼地面层：(30MM)     0.6×1.2＝0.72顶棚面层：(30MM)    0.4×1.2＝0.48总重                          7.03M层的墙体自重：砌体2.5M高    0.24×19×2.5×1.2＝13.68KN/M墙面抹灰       0.04×20×2.5×1.2＝2.40KN/M框架梁       0.25×25×0.5×1.2＝3.75KN/M总重                           19.83KN/M每层的面积：   25.2×14        ＝352.8MZ水平地震作用计算：Geg＝结构等效总重力荷载12层楼面：12×7×352.8＝29635KN12层墙体：19.83×138×12＝32838KN12层外墙：19.83/2×50.4×12＝5997KN总荷载                 68470KNGeg＝0.85×65470＝58200KNFek＝αl  Geg＝0.03×58200＝1746KNH＝36M    B＝14MFek＝总水平地震力自振周期： $T=0.22+0.035\×36/3\sqrt{14}=0.74$ αl＝(0.3/0.74)^0.9αMAX＝0.37×0.08＝0.03(12层框架公式近似地认为各层的Gi相等)

Fi＝Hi/∑Hj    (j＝1-12)(6层框架公式)

Fi＝Hi/∑Hj  (j＝1-6)(12层框架)∑Hj＝3＋6＋9＋12＋15＋18＋21＋24＋27＋30＋33＋36＝234M

H＝3M    (j＝1-12)

(6层框架)

∑Hj＝6＋12＋18＋24＋30＋36＝126M

H＝6M(j＝1-6)

水平地震力作用计算：层数∑Hj(M) Hi(M) Fek(KN) Hi/∑Hj Fi(KN) Qi(KN)6    126    36    1746     0.286   499    4995    126    30    1746     0.238   416    9154    126    24    1746     0.190   332    12473    126    18    1746     0.143   250    14972    126    12    1746     0.095   166    16631    126    6     1746     0.048   84     1746Qi＝各层剪力图：                                         水平地震作用计算简图：

层数 名称   宽mm/ 高/mm EcN/mm2   L/mm K＝Ec(bd³/12)/L4-6  框架柱  500   500  2.8×10⁴  6000  2.43×10¹⁰

 框架梁  250   800  2.8×10⁴  6000  5.00×10¹⁰1-3  框架柱  500   500  2.8×10⁴  6000  2.43×10¹⁰

 框架梁  250   900  2.8×10⁴  6000  7.10×10¹⁰4、5、6层框架柱的D值边框架柱28根

Kl＝框架梁的线刚度；    Kz＝框架柱的线刚度；

EC＝混影土的弹性模量；

K_均＝∑Kl/2 Kz＝2×5/2×2.34＝2.06

α＝K_均/(2＋K_均)＝2.06/4.06＝0.51

D＝Kzα12/L² N/mm

     ＝2.43×0.51×12×10¹⁰/6000²

     ＝4105

D_总＝28×4105＝114940 N/mm

2、3层框架柱的D值

D＝K_均α12/L² N/mm

      ＝4860

D_总＝28×4860＝136080 N/mm1层框架柱的D值

D＝αKz12/L² N/mm

     ＝5670 N/mm

D_总＝28×5670＝158760 N/mm h＝6000

各层的水平位移：δ＝Qi/D_总层数  Qi(N)     D_总     δ         δ＝h/4506    499000    114940    4.3      13.305    915000    114940    8.0      13.304    1247000   114940    11.0     13.303    1497000   136080    11.0     13.302    1663000   136080    12.2     13.301    1746000   158760    11.0     13.30

δ_总＝57.50

12层框架水平地震作用：层数 ∑Hj(M) Hi(M) Fek(KN) Hi/∑Hj Fi(KN) Qi(KN)12    234    36    1746    0.15    262    26211    234    33    1746    0.14    244    50610    234    30    1746    0.13    227    7339     234    27    1746    0.12    210    9438     234    24    1746    0.10    175    11187     234    21    1746    0.09    157    12746     234    18    1746    0.08    139    14135     234    15    1746    0.06    104    15174     234    12    1746    0.05    86     16033     234    9     1746    0.04    69     16722     234    6     1746    0.03    51     17231     234    3     1746    0.013   23     1746Qi＝各层剪力图：                             水平地震作用计算简图：

层数 名称  宽mm/ 高/mm  EcN/mm2  L/mm K＝Ec(bd³/12)/L7-12 框架柱 500   500  2.8×10⁴  3000 4.86×10¹⁰

 框架梁 250   800  2.8×10⁴  6000 1.60×10¹⁰1-6  框架柱 500   500  2.8×10⁴  3000 4.86×10¹⁰

 框架梁 250   900  2.8×10⁴  6000 2.10×10¹⁰

7-12层柱的D值边柱28根

Kl＝框架梁的线刚度  Kz＝框架柱的线刚度

K_均＝∑Kl/2Kz＝0.33

α＝K_均/(2＋K_均)＝0.33/2.33＝0.14

D(7-12)＝Kzα12/L² N/mm

       ＝0.14×4.86×12×10¹⁰/3000²

       ＝9072

D_总＝28×9072＝254016 N/mm

2-6层框架柱的D值K均＝2.1/4.86＝0.43；

             α＝0.43/2.43＝0.18

D＝Kzα12/L² N/mm

 ＝0.18×4.86×12×10¹⁰/3000²

 ＝11664    N/mm

D_总＝28×11664＝326592 N/mm1层框架柱的D值

D＝αKz12/L² N/mm

 ＝24624 N/mm

D_总＝28×24624＝689472 N/mm h＝3000

各层的水平位移：δ＝Qi/D_总 δ_总＝45.80层数  Qi(N)     D_总      δ      δ＝h/45012    262000    254016    1.0    6.611    506000    254016    2.0    6.610    733000    254016    2.9    6.69     943000    254016    3.7    6.68     1118000   254016    4.4    6.67     1274000   254016    5.0    6.66     1413000   326592    4.3    6.65     1517000   326592    4.6    6.64     1603000   326592    4.9    6.63     1672000   326592    5.2    6.62     1723000   326592    5.3    6.61     1746000   689472    2.5    6.6框架柱地震作用弯矩(MD)示意图；单位1×10⁷(N-mm)

          6.41     250×8006层

  4.27    10.78    250×8005层

  8.82    13.36    250×8004层

  13.36   16.04    250×9003层

  16.04   17.81    250×9002层

  17.81   16.84    250×9001层

  20.506层框架柱的水平弯矩(MD)M下为＝(Y0H)Qk  M上＝(1-Y0)Qk层数 柱高    Qi     D总    D/D总   Qk    K均   Y0     M下     M上

 h(mm)   N                     (N)               107n-mm  107n-mm6    6000  499000   114940 1/28   17821  2.06  0.4   4.27     6.415    6000  915000   114940 1/28   32678  2.06  0.45  8.82     10.784    6000  1247000  114940 1/28   44536  2.06  0.5   13.36    13.363    6000  1497000  136080 1/28   53464  2.92  0.5   16.04    15.042    6000  1663000  136080 1/28   59392  2.92  0.5   17.81    17.811    6000  1746000  158760 1/28   62357  2.92  0.55  20.50    16.84

12层设计施工方发与6层设施工方法经济比较：一、框架梁的体积比较：

12层框架梁的体积：

7-12层  6×0.25×0.55×5.5＝4.54M³

1-6层   6×0.25×0.6×5.45＝4.91M³

合计       9.445M³    (100％基数)

6层框架梁的体积：

6层   0.25×0.6×5.5＝0.825M³

4-5层 2×0.25×0.8×5.5＝2.20M³

1-3层 3×0.25×0.985.45＝3.68M³

合计：6.7M³    (71％)

9,445-6.7/9,445×100＝29％二、工期比较：

安照本方法设计的框架，其层数减少50％，而且框架梁全部预制，故此整体工程工期约可减少25％。三、本方法和现浇梁柱相比，钢筋用量节省的原因在于：

1、框架梁端部钢筋用量减少；

2、框架柱是小偏心受压构件，其主筋是最小配筋率，所以钢筋用量减少；

3、框架梁框架柱的节点数量减少，加密区箍筋减少；

通过实际设计计算，框架梁框架柱的总用钢量比同类现浇框架可节省20％。

本发明的高层和超高层建筑框架结构设计、施工方法和现有技术相比，具有设计科学合理，施工方便、缩短施工工期、提高***率、节省建筑材料、能使高层和超高层建筑物的抗震性能大大提高等特点，因而，具有很好的推广使用价值。

Claims (3)

1.高层和超高层建筑框架结构设计施工方法，包括框架柱[1]、横向框架梁[2]、纵向框架梁[3]和简支梁[4]的设计施工，两层楼为一框架设计施工单元，横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]为预制构件，分别用临时支撑[8]安放在墙体[5]上，但两者不在同一标高上，每一道框架梁包括横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]承担两层楼的荷载，待竖向荷载加上后，再将横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]的端部和框架柱[1]浇筑在一起。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于每一框架设计施工单元的下部的横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]吊装完毕后，将第一层楼板[6]吊装在横向框架梁[2]或纵向框架梁[3]上，立即砌筑墙体[5]，将第二层楼板[6]吊装在墙体[5]的二分之一高度上，然后将墙体[5]砌筑到安装上该框架施工单元的上部横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]的高度，开始浇筑框架柱[1]，将框架柱[1]与横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]浇筑在一起，再将上部的横向框架梁[2]和纵向框架梁[3]吊装到墙体[5]上，以此类推进行下一单元施工。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在没有间隔墙房间的框架柱[1]上设支撑简支梁[4]的牛腿[7]。

Images