中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題

李 勛 文

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

在2008年的5·12地震過程中，較多中小學(xué)教學(xué)樓出現(xiàn)破壞甚至倒塌，部分學(xué)生在地震中受傷甚至是失去生命[1,2]。吸取以往教訓(xùn)，同時也隨著國家對于中小學(xué)教育的大力投入，中小學(xué)教學(xué)樓的設(shè)計得到重視，下面對于中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的一些關(guān)鍵問題進行討論。

1 結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計

在對建筑物進行方案設(shè)計時，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計的人員進行配合。在方案確定時，教學(xué)樓的建筑形式要求盡量規(guī)則，不宜選取一些平面或豎向不規(guī)則、平面開設(shè)較大洞口等嚴重不規(guī)則的建筑形式，避免在方案設(shè)計過程中得出對抗震不利的結(jié)構(gòu)體型。一般意義上講，好的設(shè)計方案要求剛度對稱，平面布置簡單勻稱，結(jié)構(gòu)四周剛度較好，對于剛度偏弱方向的柱截面尺寸適當加強。當建筑布置形成L形或E字形的布局時，可以通過設(shè)置抗震縫，將結(jié)構(gòu)進行斷開，使得各個分隔單體形成規(guī)則布局?？拐鹂p的寬度要求可以查詢《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱抗規(guī))，同時需要注意抗震縫屬于結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施，布置時需要提高1度。

現(xiàn)在，很多近年建設(shè)的學(xué)校通常把各排教學(xué)樓和連廊進行連接，整體構(gòu)成E字形或者串子形的建筑形式，其連廊多數(shù)采用單跨框架的結(jié)構(gòu)體系?？挂?guī)對框架結(jié)構(gòu)的跨數(shù)有明確要求，即框架結(jié)構(gòu)不得采用單跨形式；即便一些地方允許采用單跨，但也要求對框架的抗震構(gòu)造措施予以加強，包括框架柱軸壓比、框架柱箍筋進行適當?shù)募訌姷却胧Ｈ绲胤矫鞔_規(guī)定不得采用單跨框架的結(jié)構(gòu)形式，此時結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當在建筑方案設(shè)計時提前交流，可以增大連廊的寬度尺寸，也可以在連廊中增加辦公室等房屋，這樣連廊則變成多跨結(jié)構(gòu)。若教學(xué)樓的建筑方案已經(jīng)得到相關(guān)部門審批，確實無法調(diào)整建筑方案，這時可以將連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)或框—剪結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)都能夠避免前述框架體系存在的問題。若最終教學(xué)樓的建筑方案平面布置存在不規(guī)則，超出規(guī)范允許的范圍，則需要按照相關(guān)規(guī)范補充中震下結(jié)構(gòu)的彈性計算，并按照該計算結(jié)果對框架柱進行配筋，結(jié)構(gòu)的梁、板等構(gòu)件則按照小震進行計算配筋，如此結(jié)構(gòu)可以達到強柱弱梁的效果。

不同地域的抗震設(shè)防烈度并不相同，一些地方部門要求在高烈度區(qū)域(8度及以上區(qū)域)建設(shè)的中小學(xué)教學(xué)樓，需要有較為可靠的隔震或者消能減震技術(shù)[3]，在采取該技術(shù)后，能夠使得整個結(jié)構(gòu)抗震性能大幅提高，項目的工程成本也隨之增加。

2 計算參數(shù)要求

使用相關(guān)軟件建立模型，并展開分析，計算結(jié)束后對結(jié)構(gòu)的主要指標展開分析。在結(jié)構(gòu)計算完成后，需要對結(jié)構(gòu)的各項指標進行檢查，并與設(shè)計規(guī)范進行比較，確保各項指標滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，以保證結(jié)構(gòu)整體的承載力及抗震性能，若部分指標不滿足規(guī)范要求，則需要及時調(diào)整結(jié)構(gòu)模型。鑒于篇幅，本文僅選取其中較為重要的參數(shù)進行討論。

2.1 周期

周期主要查看結(jié)構(gòu)的前三個周期數(shù)值大小，抗震設(shè)計時要求結(jié)構(gòu)的X，Y方向剛度相差不大，因此結(jié)構(gòu)第一周期及第二周期應(yīng)當較為接近，并且前兩個周期都為平動周期，如果結(jié)構(gòu)前兩個周期出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，則表明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度存在不足，需要提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

2.2 周期比

結(jié)構(gòu)周期比是評判結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要參數(shù)，通?？刂平Y(jié)構(gòu)第一平動周期與第一扭轉(zhuǎn)周期之間的比值。雖然相對多層結(jié)構(gòu)來說，規(guī)范并未強制要求周期比，但設(shè)計過程中還是應(yīng)當盡可能實現(xiàn)周期比不超過0.9的規(guī)定。

2.3 軸壓比

軸壓比是控制結(jié)構(gòu)延性的重要參數(shù)。通常軸壓比越大，結(jié)構(gòu)的脆性也就越大，越容易產(chǎn)生脆性破壞。現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件軸壓比制定了明確要求，軸壓比有明確的限值，若軸壓比超出限值，則需要采取調(diào)整構(gòu)件截面尺寸、調(diào)整混凝土強度等級等方法。

3 施工圖設(shè)計

3.1 地下室結(jié)構(gòu)

按照建筑設(shè)計方案，若設(shè)計有地下室部分，為了使得計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際更加接近，此時需要確保地下室頂板厚度等能夠達到嵌固端的相關(guān)要求。在設(shè)計過程中，可獨立計算上部結(jié)構(gòu)部分；在計算地下室部分時，則需要把整個結(jié)構(gòu)進行建模計算。有時部分地下室的頂部還存在填土，地下室頂板與室外地面存在高差，需要注意考慮覆土荷載，在這部分區(qū)域可以通過對框架梁加腋等方法來提高結(jié)構(gòu)承載力，也可以對箍筋進行加密、加粗。此外，在進行地下室結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計時，還應(yīng)當滿足抗規(guī)6.1.14條的規(guī)定。若地下室頂板厚度、構(gòu)造等達不到嵌固上部結(jié)構(gòu)的要求，則應(yīng)當根據(jù)多塔結(jié)構(gòu)的形式展開相關(guān)計算分析。

3.2 基礎(chǔ)部分

通常情況下結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程相對隱蔽，同時地基基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。在對結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)設(shè)計計算時需要處理好以下幾點問題。設(shè)計等級：通常中小學(xué)教學(xué)樓大多是7層以內(nèi)的多層建筑，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，基礎(chǔ)通常為丙類基礎(chǔ)。受力計算：地基基礎(chǔ)承受的各類荷載中，豎向荷載通常相對直觀，但一些基礎(chǔ)的反力可能存在較大的水平力及彎矩，若在設(shè)計過程中忽略這一問題，則可能使基礎(chǔ)尺寸偏小，影響整個結(jié)構(gòu)的安全；若完全考慮這一影響，則可能導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)偏心，導(dǎo)致基礎(chǔ)存在浪費。當結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選擇低承臺樁基時，可以按照抗規(guī)4.4.2條考慮水平力的作用，此時由承臺填土和樁一起分擔水平地震作用，但仍需要確保承臺四周的填土滿足要求；此外還需要考慮地質(zhì)條件是否存在飽和液化土，若存在這一問題，則需要按照規(guī)范處理建議采取換填等措施[4]。

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在規(guī)范中，對于中小學(xué)教學(xué)樓明確了其抗震設(shè)防的類別不應(yīng)低于重點設(shè)防類，屬于乙類建筑。確定了教學(xué)樓為重點設(shè)防類建筑后，需要按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求提高1度，結(jié)合相關(guān)要求確定教學(xué)樓抗震等級。若建筑所處的建設(shè)場地類別為Ⅲ類、Ⅳ類時，對于設(shè)計基本地震加速度為0.15g和0.20g的地區(qū)，需要按照規(guī)范要求對結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施提高一個等級。

3.4 樓梯部分

樓梯作為建筑受災(zāi)時重要的逃生通道，同時歷次地震調(diào)查結(jié)果也表明，在地震過程中樓梯承受的破壞較為慘烈，樓梯也是整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。樓梯間不宜布置在整個結(jié)構(gòu)的最邊跨，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用增強，可以將樓梯間布置在相鄰的第二開間，這樣更有利于整個結(jié)構(gòu)的抗震性。樓梯的四周需要布置框架柱。對于框架結(jié)構(gòu)，樓梯則相當于在框架中形成了K形的支撐，對結(jié)構(gòu)局部的剛度貢獻較大，影響了結(jié)構(gòu)剛度均勻性。在抗規(guī)中也要求在結(jié)構(gòu)計算時考慮樓梯對整體結(jié)構(gòu)的影響。為了減輕這一問題，設(shè)計時將樓梯的支座設(shè)計為滑動支座，這樣樓梯對于整個結(jié)構(gòu)的剛度貢獻降低，有利于結(jié)構(gòu)的抗震性能?？紤]到地震發(fā)生時，樓梯需要用于逃生，因而樓梯的抗震等級與主體相同，樓梯梯段板上部鋼筋需要通長布置。樓梯休息平臺處的柱高往往只有層高的一半，屬于短柱，應(yīng)當通過提高箍筋配筋率來保證其延性。

3.5 樓屋面板的設(shè)計

在中小學(xué)教學(xué)樓教室的區(qū)間大小通常為9 000 mm×9 000 mm，在設(shè)計中可以將樓屋面板設(shè)計為雙向板塊。板厚可以根據(jù)短向跨度的1/40去進行驗算，厚度也通常不要低于120 mm?？紤]到溫度應(yīng)力的相關(guān)影響，需要把結(jié)構(gòu)的屋面層及樓層的最端部一跨設(shè)計為雙層雙向配筋板，屋面板配筋時可以采用小直徑鋼筋以減少鋼筋的間距。

3.6 梁柱結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計時，應(yīng)當根據(jù)結(jié)構(gòu)實際計算結(jié)果進行設(shè)計。在配筋設(shè)計過程中，需要考慮留出一定的富余度，也可以適當進行彎矩的調(diào)幅。在進行結(jié)構(gòu)柱配筋時，需要考慮框架柱節(jié)點核心區(qū)的抗剪箍筋值。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)經(jīng)濟迅速發(fā)展，國家對于教育業(yè)的投資也逐漸增加，教育事業(yè)得到普遍重視。中小教學(xué)樓的建筑結(jié)構(gòu)有著自身的特征，如房屋均為大開間、抗震設(shè)防要求高等，對中小學(xué)教學(xué)樓的設(shè)計值得進一步研究。結(jié)合中小學(xué)教學(xué)樓設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、計算參數(shù)控制及施工圖設(shè)計等3個方面闡述了中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵事項，可為類似工程設(shè)計提供參照。

參考文獻：

[1] 白 鳳.論我國中小學(xué)教學(xué)樓防倒塌的抗震概念設(shè)計[J].工業(yè)建筑,2009,39(1):42-46.

[2] 陳國娥.涼山州中小學(xué)教學(xué)樓抗震設(shè)計存在的問題及對策[J].西昌學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,20(1):66-67.

[3] 蘇冠興,李世宏.中小學(xué)教學(xué)樓消能減震設(shè)計與分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2013(S1):585-589.

[4] 葛 衛(wèi).當前中小學(xué)教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2002(3):18-19.