專利名稱：高層和超高層建筑框架結構設計施工方法
技術領域：
本發明涉及一種抗震建筑的設計施工方法，具體地說是一種高層和超高層建筑框架結構設計施工方法。
當前通用的高層和超高層建筑抗震結構，框架部分的設計施工多采用現澆梁、現澆柱的設計施工方法，其存在的不足有一、抗脆性剪切破壞的能力差；如多數住宅、賓館、辦公樓及其公共建筑的層高約2.8--3.3米之間，框架柱的凈高約在2.1M--2.7M之間，框架柱的長邊在500mm--650mm之間，建筑設計抗震規范GBJ11-89第6.3.5條的規定框架柱凈高與截面高度之比不宜小于4，框架柱凈高/框架柱長邊≤4，故此柱子的凈高接近“短柱”的邊緣，在有些高層和超高層建筑底層的框架柱已進入”短柱”范圍。通過以往的地震災害和實驗證明，發生脆性剪切破壞的部位主要在“短柱”上，特別是在突然發生強烈地震的情況下，建筑物因“短柱”的抗脆性剪切破壞能力差而使建筑物損壞的比例最大。為了滿足柱子凈高/柱子長邊≤4，的設計規范要求，現有的建筑設計師們在高層和超高層建筑設計施工中主要采用增加框架柱箍筋的措施來解決“短柱”的抗脆性剪切破壞能力差的弱點，但在實際的設計與施工中框架柱的幾何形狀已成定型，只是顧此失彼的問題，所以還是不能從根本上解決“短柱”的抗脆性剪切破壞能力差的不足。
二、施工效率低、施工工期長；
在現行的高層和超高層建筑施工中，框架梁、框架柱、墻體的施工全部是現場澆筑，因而效率低、工期長，工期每延長一年，基建投資損失約20％-30％。
本發明的目的是提供一種施工效率高、施工周期短、即能滿足設計規范要求，又不出現“短柱”的高層和超高層建筑框架結構設計施工方法。
本發明的目的是按以下方式實現的，在設計施工中采用兩層樓體結構為一建筑框架設計單元，以增加框架柱的高度，在一建筑框架設計施工單元中的兩層樓施工是將第一層樓板吊裝在框架梁上，立即在第一層樓板上砌墻體，然后將第二層樓板吊裝在墻體的二分之一處，最后將墻體砌到安放上框架梁的位置，再進行框架柱的澆筑，將下部框架柱與加上豎向荷載后的下部框架梁澆筑在一起，一個建筑框架設計施工單元施工完畢后再進行第二個建筑設計施工單元的施工，依次向高層進行。框架柱的高度增加到兩層樓的高度，就可完全避免因地震引起的脆性剪切破壞。其理由是在一定范圍內，框架柱的“側移剛度”D值隨框架梁的線剛度的增加而增加，雖然適當地增加框架梁的“線剛度”可以提高框架柱的D值，以對抗震有利，一層設一道框架梁，荷載小，框架梁的高度不需要很高，但“線剛度”卻不會提高。如采用一層框架梁承擔兩層樓的荷載，雖然荷載增加一倍，但框架梁高卻不需增加一倍，原因是框架梁的線剛度與框架梁高的立方乘積成正比，稍微加大框架梁的高度，即增加了框架梁的荷載，又可大大提高框架梁的“線剛度”，同時也提高了框架梁的抗彎能力和框架柱的抗震能力，還可節省鋼筋水泥的消耗，可謂一舉三得。
另外，現澆框架梁、框架柱的接點是剛性連接，框架梁的豎向荷載可使框架柱產生彎矩，故框架柱是大偏心受壓構件，多數處于大偏心狀態，所以，當地震來臨時，框架柱的最大抗彎矩極限低于原有框架梁的豎向荷載對其所施加的彎矩和地震所產生的彎矩之和。現有技術為了增加框架梁的抗豎向荷載對框架柱所產生彎矩能力，只有增加鋼筋的用量，這不僅增加了鋼筋的消耗，同時也給混凝土的澆筑施工增加了難度。
為了提高施工效率和縮短施工周期，減少框架梁的豎向荷載對框架柱產生彎矩，將現澆框架梁改為預制框架梁，在框架梁的兩端留出和框架柱連結澆筑的鋼筋頭，施工時，先在該框架梁上鋪設樓板，砌筑墻體，鋪設第二層樓板，當墻體砌到上部框架梁的高度時，下部框架梁上的豎向荷載已大部分加上，框架梁的受壓彎曲已完成，此時開始澆筑框架柱，將框架梁和框架柱澆筑在一起，這時框架梁和框架柱之間雖形成的剛性連接，但框架梁對框架柱卻不產生彎矩，或產生很小的彎矩。將上部框架梁吊裝上，緊接著在該框架梁上吊裝一層樓板、砌墻體和吊裝第二層樓板，再進行下一建筑框架設計施工單元的施工。如遇到無內隔墻的房間，在框架柱中間設牛腿或梁托承擔簡支梁及其以上的荷載。理論是預制框架梁在未與框架柱澆筑前將兩層樓的墻體和兩層樓的樓板吊裝砌筑完畢，也就是將框架梁所要承擔的絕大部分的豎向荷載全部加上，此時框架梁的支座角位移不受限制和約束，施加在框架柱上的彎矩是零，當混凝土達到強度之后，框架梁和框架柱只承受少量的樓面可變荷載所產生的彎矩，此時的框架柱是小偏心受壓構件，而框架柱的豎向受壓面積增加，能充分發揮鋼筋混凝土的抗壓性能，由于框架柱中的受拉鋼筋少，應力低，按構造要求使用最低配筋即可，受壓鋼筋也可充分利用，因而框架柱的受力狀態可產生本質性的改善，這不僅節省大量的鋼筋混凝土的消耗，縮短施工工期，更主要的是各層框架柱在整體抗震性能上有了大大提高，當地震來臨時就會有足夠的抗彎矩能力抵抗地震對框架柱所造成的破壞。
附
圖1為的高層和超高層建筑框架設計施工單元的框架柱與橫、縱框架梁的結構示意圖；附圖2為12層和6層建筑的框架梁和框架柱的結構平面圖。
參照說明書附圖對本發明的作以下詳細地說明。
本發明的高層和超高層建筑框架結構設計施工方法，包括框架柱[1]、橫向框架梁[2]、縱向框架梁[3]和簡支梁[4]的設計施工，兩層樓為一框架設計施工單元，橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]為預制構件，分別用臨時支撐[8]安放在墻體[5]上，但兩者不在同一標高上，每一道框架梁包括橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]承擔兩層樓的荷載，待豎向荷載加上后，再將橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]的端部和框架柱[1]澆筑在一起。施工時，每一框架設計施工單元的下部的橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]吊裝完畢后，將第一層樓板[6]吊裝在橫向框架梁[2]或縱向框架梁[3]上，立即砌筑墻體[5]，將第二層樓板[6]吊裝在墻體[5]的二分之一高度上，然后將墻體[5]砌筑到安裝上該框架施工單元的上部橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]的高度，開始澆筑框架柱[1]，將框架柱[1]與橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]澆筑在一起，再將上部的橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]吊裝到墻體[5]上，以此類推進行下一單元施工。在沒有間隔墻房間的框架柱[1]上設支撐簡支梁[4]的梁托或牛腿[7]。
實施例以下舉一12層的抗震建筑設計，以證明本發明的可行性(為了描述方便橫向、縱向框架梁均簡稱框架梁)設計要求建筑的層高3M，間距4.2M，總高36M，內墻體全部為實心磚墻，外墻是大窗戶，按實心墻50％計算自重，分別按12層框架和6層框架進行設計施工計算對比。
設計條件1、建筑場地中硬地土。
2、地震設防7度，按近震規定執行。
3、按重要性分類丙類建筑。
4、抗震等級二級。
5、混凝土等級C256、水平地震效應框架柱彎矩用D值法計算。
7、使用規范GBJ-11-89建筑抗震設計規范。
GBJ-10-89混凝土結構設計規范。
GBJ-9-87荷載規范。
荷載計算樓面活荷載KN/M22.0×1.4＝2.8樓板自重 KN/M22.5×1.2＝3.0樓地面層(30MM) 0.6×1.2＝0.72頂棚面層(30MM)0.4×1.2＝0.48總重 7.03M層的墻體自重砌體2.5M高0.24×19×2.5×1.2＝13.68KN/M墻面抹灰 0.04×20×2.5×1.2＝2.40KN/M框架梁 0.25×25×0.5×1.2＝3.75KN/M總重 19.83KN/M每層的面積 25.2×14＝352.8MZ水平地震作用計算Geg＝結構等效總重力荷載12層樓面12×7×352.8＝29635KN12層墻體19.83×138×12＝32838KN12層外墻19.83/2×50.4×12＝5997KN總荷載 68470KNGeg＝0.85×65470＝58200KNFek＝αl Geg＝0.03×58200＝1746KNH＝36MB＝14MFek＝總水平地震力自振周期T=0.22+0.035×36/314=0.74]]>αl＝(0.3/0.74)0.9αMAX＝0.37×0.08＝0.03(12層框架公式近似地認為各層的Gi相等)Fi＝Hi/∑Hj(j＝1-12)(6層框架公式)Fi＝Hi/∑Hj (j＝1-6)(12層框架)∑Hj＝3＋6＋9＋12＋15＋18＋21＋24＋27＋30＋33＋36＝234M
H＝3M(j＝1-12)(6層框架)∑Hj＝6＋12＋18＋24＋30＋36＝126MH＝6M(j＝1-6)水平地震力作用計算層數∑Hj(M) Hi(M) Fek(KN) Hi/∑Hj Fi(KN) Qi(KN)6126361746 0.286 4994995126301746 0.238 4169154126241746 0.190 33212473126181746 0.143 25014972126121746 0.095 166166311266 1746 0.048 84 1746Qi＝各層剪力圖 水平地震作用計算簡圖 層數 名稱 寬mm/ 高/mm EcN/mm2 L/mm K＝Ec(bd3/12)/L4-6 框架柱 500 500 2.8×1046000 2.43×1010框架梁 250 800 2.8×1046000 5.00×10101-3 框架柱 500 500 2.8×1046000 2.43×1010框架梁 250 900 2.8×1046000 7.10×10104、5、6層框架柱的D值邊框架柱28根Kl＝框架梁的線剛度；Kz＝框架柱的線剛度；EC＝混影土的彈性模量；K均＝∑Kl/2 Kz＝2×5/2×2.34＝2.06α＝K均/(2＋K均)＝2.06/4.06＝0.51D＝Kzα12/L2N/mm＝2.43×0.51×12×1010/60002＝4105D總＝28×4105＝114940 N/mm2、3層框架柱的D值D＝K均α12/L2N/mm＝4860D總＝28×4860＝136080 N/mm1層框架柱的D值D＝αKz12/L2N/mm＝5670 N/mmD總＝28×5670＝158760 N/mm h＝6000各層的水平位移δ＝Qi/D總層數 Qi(N) D總δ δ＝h/45064990001149404.3 13.3059150001149408.0 13.3041247000 11494011.0 13.3031497000 13608011.0 13.3021663000 13608012.2 13.3011746000 15876011.0 13.30
δ總＝57.5012層框架水平地震作用層數 ∑Hj(M) Hi(M) Fek(KN) Hi/∑Hj Fi(KN) Qi(KN)122343617460.15262262112343317460.14244506102343017460.132277339 2342717460.122109438 2342417460.1017511187 2342117460.0915712746 2341817460.0813914135 2341517460.0610415174 2341217460.0586 16033 2349 17460.0469 16722 2346 17460.0351 17231 2343 17460.013 23 1746Qi＝各層剪力圖 水平地震作用計算簡圖 層數 名稱 寬mm/ 高/mm EcN/mm2 L/mm K＝Ec(bd3/12)/L7-12 框架柱 500 500 2.8×1043000 4.86×1010框架梁 250 800 2.8×1046000 1.60×10101-6 框架柱 500 500 2.8×1043000 4.86×1010框架梁 250 900 2.8×1046000 2.10×10107-12層柱的D值邊柱28根Kl＝框架梁的線剛度 Kz＝框架柱的線剛度K均＝∑Kl/2Kz＝0.33α＝K均/(2＋K均)＝0.33/2.33＝0.14D(7-12)＝Kzα12/L2N/mm＝0.14×4.86×12×1010/30002
＝9072D總＝28×9072＝254016 N/mm2-6層框架柱的D值K均＝2.1/4.86＝0.43；α＝0.43/2.43＝0.18D＝Kzα12/L2N/mm＝0.18×4.86×12×1010/30002＝11664N/mmD總＝28×11664＝326592 N/mm1層框架柱的D值D＝αKz12/L2N/mm＝24624 N/mmD總＝28×24624＝689472 N/mm h＝3000各層的水平位移δ＝Qi/D總δ總＝45.80層數 Qi(N) D總δ δ＝h/450122620002540161.06.6115060002540162.06.6107330002540162.96.69 9430002540163.76.68 1118000 2540164.46.67 1274000 2540165.06.66 1413000 3265924.36.65 1517000 3265924.66.64 1603000 3265924.96.63 1672000 3265925.26.62 1723000 3265925.36.61 1746000 6894722.56.6框架柱地震作用彎矩(MD)示意圖；單位1×107(N-mm)6.41 250×8006層4.2710.78250×8005層8.8213.36250×8004層13.36 16.04250×9003層16.04 17.81250×9002層17.81 16.84250×9001層20.506層框架柱的水平彎矩(MD)M下為＝(Y0H)Qk M上＝(1-Y0)Qk層數 柱高Qi D總D/D總 QkK均 Y0 M下 M上h(mm) N (N) 107n-mm 107n-mm66000 499000 114940 1/28 17821 2.06 0.4 4.27 6.4156000 915000 114940 1/28 32678 2.06 0.45 8.82 10.7846000 1247000 114940 1/28 44536 2.06 0.5 13.3613.3636000 1497000 136080 1/28 53464 2.92 0.5 16.0415.0426000 1663000 136080 1/28 59392 2.92 0.5 17.8117.8116000 1746000 158760 1/28 62357 2.92 0.55 20.5016.84
12層設計施工方發與6層設施工方法經濟比較一、框架梁的體積比較12層框架梁的體積7-12層 6×0.25×0.55×5.5＝4.54M31-6層 6×0.25×0.6×5.45＝4.91M3合計 9.445M3(100％基數)6層框架梁的體積6層 0.25×0.6×5.5＝0.825M34-5層 2×0.25×0.8×5.5＝2.20M31-3層 3×0.25×0.985.45＝3.68M3合計6.7M3(71％)9,445-6.7/9,445×100＝29％二、工期比較安照本方法設計的框架，其層數減少50％，而且框架梁全部預制，故此整體工程工期約可減少25％。三、本方法和現澆梁柱相比，鋼筋用量節省的原因在于1、框架梁端部鋼筋用量減少；2、框架柱是小偏心受壓構件，其主筋是最小配筋率，所以鋼筋用量減少；3、框架梁框架柱的節點數量減少，加密區箍筋減少；通過實際設計計算，框架梁框架柱的總用鋼量比同類現澆框架可節省20％。
本發明的高層和超高層建筑框架結構設計、施工方法和現有技術相比，具有設計科學合理，施工方便、縮短施工工期、提高資金周轉率、節省建筑材料、能使高層和超高層建筑物的抗震性能大大提高等特點，因而，具有很好的推廣使用價值。
權利要求
1.高層和超高層建筑框架結構設計施工方法，包括框架柱[1]、橫向框架梁[2]、縱向框架梁[3]和簡支梁[4]的設計施工，兩層樓為一框架設計施工單元，橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]為預制構件，分別用臨時支撐[8]安放在墻體[5]上，但兩者不在同一標高上，每一道框架梁包括橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]承擔兩層樓的荷載，待豎向荷載加上后，再將橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]的端部和框架柱[1]澆筑在一起。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于每一框架設計施工單元的下部的橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]吊裝完畢后，將第一層樓板[6]吊裝在橫向框架梁[2]或縱向框架梁[3]上，立即砌筑墻體[5]，將第二層樓板[6]吊裝在墻體[5]的二分之一高度上，然后將墻體[5]砌筑到安裝上該框架施工單元的上部橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]的高度，開始澆筑框架柱[1]，將框架柱[1]與橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]澆筑在一起，再將上部的橫向框架梁[2]和縱向框架梁[3]吊裝到墻體[5]上，以此類推進行下一單元施工。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在沒有間隔墻房間的框架柱[1]上設支撐簡支梁[4]的牛腿[7]。
全文摘要
本發明提供一種高層和超高層建筑框架結構設計、施工方法，包括框架柱(1)、橫向框架梁(2)、縱向框架梁(3)和簡支梁(4)的設計施工，兩層樓為一框架設計施工單元，橫向框架梁(2)和縱向框架梁(3)為預制構件，分別用臨時支撐(8)安放在墻體(5)上，但兩者不在同一標高上，每一道框架梁包括橫向框架梁(2)和縱向框架梁(3)承擔兩層樓的荷載，待豎向荷載加上后，再將橫向框架梁(2)和縱向框架梁(3)的端部和框架柱(1)澆筑在一起。該方法和現有技術相比，具有設計科學合理，施工方便、縮短施工工期、提高資金周轉率、節省建筑材料、能使高層和超高層建筑物的抗震性能大大提高等特點，因而，具有很好的推廣使用價值。
文檔編號E04B1/35GK1144866SQ96115689
公開日1997年3月12日 申請日期1996年3月14日 優先權日1996年3月14日
發明者朱成 申請人:朱成