李 勛 文

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

在2008年的5·12地震過(guò)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(shí)也隨著國(guó)家對(duì)于中小學(xué)教育的大力投入，中小學(xué)教學(xué)樓的設(shè)計(jì)得到重視，下面對(duì)于中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

在對(duì)建筑物進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員進(jìn)行配合。在方案確定時(shí)，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(yán)重不規(guī)則的建筑形式，避免在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中得出對(duì)抗震不利的結(jié)構(gòu)體型。一般意義上講，好的設(shè)計(jì)方案要求剛度對(duì)稱，平面布置簡(jiǎn)單勻稱，結(jié)構(gòu)四周剛度較好，對(duì)于剛度偏弱方向的柱截面尺寸適當(dāng)加強(qiáng)。當(dāng)建筑布置形成L形或E字形的布局時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置抗震縫，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷開，使得各個(gè)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(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱抗規(guī))，同時(shí)需要注意抗震縫屬于結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施，布置時(shí)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(jìn)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(duì)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(duì)框架的抗震構(gòu)造措施予以加強(qiáng)，包括框架柱軸壓比、框架柱箍筋進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)等措施。如地方明確規(guī)定不得采用單跨框架的結(jié)構(gòu)形式，此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)無(wú)法調(diào)整建筑方案，這時(shí)可以將連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wèn)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(bǔ)充中震下結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算，并按照該計(jì)算結(jié)果對(duì)框架柱進(jìn)行配筋，結(jié)構(gòu)的梁、板等構(gòu)件則按照小震進(jìn)行計(jì)算配筋，如此結(jié)構(gòu)可以達(dá)到強(qiáng)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(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能大幅提高，項(xiàng)目的工程成本也隨之增加。

2 計(jì)算參數(shù)要求

使用相關(guān)軟件建立模型，并展開分析，計(jì)算結(jié)束后對(duì)結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)展開分析。在結(jié)構(gòu)計(jì)算完成后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查，并與設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行比較，確保各項(xiàng)指標(biāo)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(biāo)不滿足規(guī)范要求，則需要及時(shí)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(jìn)行討論。

2.1 周期

周期主要查看結(jié)構(gòu)的前三個(gè)周期數(shù)值大小，抗震設(shè)計(jì)時(shí)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(dāng)較為接近，并且前兩個(gè)周期都為平動(dòng)周期，如果結(jié)構(gòu)前兩個(gè)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(píng)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(dòng)周期與第一扭轉(zhuǎn)周期之間的比值。雖然相對(duì)多層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，規(guī)范并未強(qiáng)制要求周期比，但設(shè)計(jì)過(guò)程中還是應(yīng)當(dāng)盡可能實(shí)現(xiàn)周期比不超過(guò)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?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)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(qiáng)度等級(jí)等方法。

3 施工圖設(shè)計(jì)

3.1 地下室結(jié)構(gòu)

按照建筑設(shè)計(jì)方案，若設(shè)計(jì)有地下室部分，為了使得計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)際更加接近，此時(shí)需要確保地下室頂板厚度等能夠達(dá)到嵌固端的相關(guān)要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可獨(dú)立計(jì)算上部結(jié)構(gòu)部分；在計(jì)算地下室部分時(shí)，則需要把整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。有時(shí)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(guò)對(duì)框架梁加腋等方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)承載力，也可以對(duì)箍筋進(jìn)行加密、加粗。此外，在進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)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(dá)不到嵌固上部結(jié)構(gòu)的要求，則應(yīng)當(dāng)根據(jù)多塔結(jié)構(gòu)的形式展開相關(guān)計(jì)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(duì)隱蔽，同時(shí)地基基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。在對(duì)結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要處理好以下幾點(diǎn)問(wèn)題。設(shè)計(jì)等級(jí)：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(jì)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(jì)算：地基基礎(chǔ)承受的各類荷載中，豎向荷載通常相對(duì)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(jì)過(guò)程中忽略這一問(wèn)題，則可能使基礎(chǔ)尺寸偏小，影響整個(gè)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(fèi)。當(dāng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選擇低承臺(tái)樁基時(shí)，可以按照抗規(guī)4.4.2條考慮水平力的作用，此時(shí)由承臺(tái)填土和樁一起分擔(dān)水平地震作用，但仍需要確保承臺(tái)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(wèn)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(jì)

在規(guī)范中，對(duì)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(diǎn)設(shè)防類，屬于乙類建筑。確定了教學(xué)樓為重點(diǎn)設(shè)防類建筑后，需要按照《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jí)。若建筑所處的建設(shè)場(chǎng)地類別為Ⅲ類、Ⅳ類時(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施提高一個(gè)等級(jí)。

3.4 樓梯部分

樓梯作為建筑受災(zāi)時(shí)重要的逃生通道，同時(shí)歷次地震調(diào)查結(jié)果也表明，在地震過(guò)程中樓梯承受的破壞較為慘烈，樓梯也是整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。樓梯間不宜布置在整個(gè)結(jié)構(gòu)的最邊跨，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用增強(qiáng)，可以將樓梯間布置在相鄰的第二開間，這樣更有利于整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性。樓梯的四周需要布置框架柱。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓梯則相當(dāng)于在框架中形成了K形的支撐，對(duì)結(jié)構(gòu)局部的剛度貢獻(xiàn)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(jì)算時(shí)考慮樓梯對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。為了減輕這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)將樓梯的支座設(shè)計(jì)為滑動(dòng)支座，這樣樓梯對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)降低，有利于結(jié)構(gòu)的抗震性能?？紤]到地震發(fā)生時(shí)，樓梯需要用于逃生，因而樓梯的抗震等級(jí)與主體相同，樓梯梯段板上部鋼筋需要通長(zhǎng)布置。樓梯休息平臺(tái)處的柱高往往只有層高的一半，屬于短柱，應(yīng)當(dāng)通過(guò)提高箍筋配筋率來(lái)保證其延性。

3.5 樓屋面板的設(shè)計(jì)

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(jì)中可以將樓屋面板設(shè)計(jì)為雙向板塊。板厚可以根據(jù)短向跨度的1/40去進(jìn)行驗(yàn)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(jì)為雙層雙向配筋板，屋面板配筋時(shí)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(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。在配筋設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮留出一定的富余度，也可以適當(dāng)進(jìn)行彎矩的調(diào)幅。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)柱配筋時(shí)，需要考慮框架柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪箍筋值。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)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(duì)中小學(xué)教學(xué)樓的設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步研究。結(jié)合中小學(xué)教學(xué)樓設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、計(jì)算參數(shù)控制及施工圖設(shè)計(jì)等3個(gè)方面闡述了中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵事項(xiàng)，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參照。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 葛 衛(wèi).當(dāng)前中小學(xué)教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2002(3):18-19.