淺談教學樓抗震設(shè)計

摘要:汶川地震后，為中小學生建造一所抗震的校舍已迫在眉睫。從現(xiàn)有校舍中存在的問題開始，提出了如何解決校舍設(shè)計通用化、填充墻不到頂、強梁弱柱、強彎抗剪等問題。并提出了如何從整體上提高校舍的抗倒塌能力。

關(guān)鍵詞:強柱弱梁;強剪抗彎;魯棒性;整體穩(wěn)定性;整體牢固性

中圖分類號:G48文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)27-0261-02

一、校舍建設(shè)中存在的問題及解決方案

1.建設(shè)等級過低。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2001》中，劃分了各地區(qū)的抗震設(shè)計標準，還根據(jù)建筑功能劃分為甲乙丙丁四個等級。但中小學教學樓也只是乙等級別。我們不難看出校舍的設(shè)防要求太過低了。中小學生是生命的花朵，是祖國的未來。在校舍防震方面，日本做得較好。日本防震有一個基本原則，就是“學校是第一避難所”，所有的房子都可以倒，學校的房子不能倒。日本的學校是防災(zāi)的中心，是市民在遭遇災(zāi)害時最放心的躲避場所。中國也應(yīng)該提高學校的抗震設(shè)防標準，并對現(xiàn)有的陳舊建筑物進行加固!

2.校舍建筑缺乏資金投入，造成工程質(zhì)量不合格。隨著九年教育義務(wù)的普及，地方政府不得不在有限的校舍建設(shè)資金下擴建更多的校舍，而降低了校舍的質(zhì)量。在校舍建筑過程中，建筑商為了獲得更多的利潤，忽視工程質(zhì)量，一方面縮短建設(shè)工期，另一方面在施工中采用低質(zhì)材料進行建設(shè)。為了給孩子們建設(shè)一所抗震的學校，政府應(yīng)加大學建設(shè)經(jīng)費的投入，同時嚴懲貪污腐敗!

3.校舍招標過程中執(zhí)法不到位。《中華人民共和國防震減災(zāi)法》、《中小學建筑設(shè)計規(guī)范》、《建設(shè)部、教育部關(guān)于進一步加強中小學建設(shè)工程質(zhì)量管理工作的通知》等政策法規(guī)都明文規(guī)定了中小學校舍建設(shè)的設(shè)計規(guī)范與質(zhì)量標準。然而由于不法承包與層層轉(zhuǎn)包等使校舍施工隊伍魚龍混雜。為了杜絕豆腐渣工程，應(yīng)嚴格規(guī)定中小學施工準入制度，不準無資質(zhì)的“橋頭部隊”承接工程，嚴禁有照單位有資質(zhì)單位承接工程后層層轉(zhuǎn)包，層層盤剝建設(shè)資金。造成最后因資金不足而偷工減料制造豆腐渣工程，并在建設(shè)中加強工程監(jiān)理。

4.校舍平面設(shè)計通用化，教學樓墻體高寬比偏大。建筑師在設(shè)計中小學教學樓時比較偏向于選擇通用化、模式化的柱網(wǎng)布置建筑平面格局和房間分隔，這容易忽略校舍建筑結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化，致使抗震薄弱位置更為凸出。設(shè)計中為了增大采光，教室的開間大，橫隔墻少，門窗占用面積大，致使墻體高寬偏大。房屋高寬比大，地震產(chǎn)生的傾覆力巨大，在結(jié)構(gòu)底部構(gòu)建中產(chǎn)生的壓力或拉力較大，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)移，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。建議在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)整教室平面形狀，減小開間，增大進深，對符合較大的外廊應(yīng)根據(jù)當?shù)乜拐鸬燃墤抑咭患墑e的外廊形式。

5.填充墻的震害。教學樓多為框架結(jié)構(gòu)，構(gòu)架結(jié)構(gòu)中常采用砌體作為填充墻，用于分割室內(nèi)空間和起維護作用。由于氣體抗剪強度及抗拉強度低，變形能力差，相對剛度較大，所以，在水平地震作用下砌體易產(chǎn)生傾斜裂縫和水平裂縫。若于梁柱之間無可靠連接，將導(dǎo)致砌體外閃倒塌，威脅人身和財產(chǎn)安全。另外，若砌體與梁柱之間連接不當，可能使柱變?yōu)槎讨瑢?dǎo)致柱發(fā)生脆性剪切皮壞，對結(jié)構(gòu)也是非常不利的!框架結(jié)構(gòu)側(cè)向變形形式是剪切型，即結(jié)構(gòu)下部層間變形大于上部，導(dǎo)致填充墻下重上輕。

建議:(1)填充墻采用輕質(zhì)填充材料。(2)在平面與豎向布置易均勻?qū)ΨQ，避免使結(jié)構(gòu)形成剛度和強度上的突變，導(dǎo)致薄弱層或短柱的形成。(3)墻體與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠的拉結(jié)，應(yīng)能適應(yīng)主體不同方向的位移。(4)采用砌體填充時，易于柱脫開或采用柔性連接。

6.強梁弱柱，強彎弱減。根據(jù)美國Arizona大學及Michigan大學的研究，認為避免梁柱節(jié)點在核心或柱端產(chǎn)生塑性鉸，梁柱受彎承載力比(柱承載力之和于梁受承載力之和的比值)不得小于1.4，但對整體結(jié)構(gòu)而言，考慮了直交梁與樓板的作用，則比值不宜小于1.2，計算梁的受彎承載力時，至少應(yīng)考慮不少于兩款范圍內(nèi)半斤的作用。日美合作框剪結(jié)構(gòu)抗震研究認為板的起作用寬度隨著梁的變形增加而增加，最終可達到班的全跨。

為了解決強梁弱柱問題，日本學者提出在柱與裙墻交接處預(yù)留縫的做法。當梁上面受拉時，梁的彎載承受力可按臨界截面計算。當梁下面受拉時，則當梁與柱相對轉(zhuǎn)動達到一定程度時，裙墻將于拉面接觸，此時層間位移角為:

R=縫寬/裙墻高度*(梁凈距/柱中距)

根據(jù)可能達到的層間文藝比R，可以求的必要的縫寬。

為了保證“強剪弱彎”，可以考慮壓彎破壞是對鑄鍛抗剪承載力降低的影響，提出切實可行使用的配筋構(gòu)造技術(shù)。如連續(xù)箍筋技術(shù)，防止控制端混凝土強度嚴重退化。

二、從整體上提高系統(tǒng)的抗倒塌能力

從利用結(jié)構(gòu)整體性來講，提高結(jié)構(gòu)低于災(zāi)害的能力并不一定要大幅度提高結(jié)構(gòu)的承載力、安全儲備而導(dǎo)致大幅度增加建設(shè)成本，恰恰相反，只要深入研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，合理利用結(jié)構(gòu)的整體性，完全可以通過少量的抗震設(shè)計或構(gòu)造措施(如設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁)顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

如上圖所示:

A為小震不壞點;B為小震設(shè)計點;C為大震不倒設(shè)計點;D為坍塌點。

(1)AB之間富余程度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本承載力安全儲備，其工程意義在于保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足正常使用狀況下安全和使用性能的要求。(2)BC之間的富余程度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備。當結(jié)構(gòu)狀態(tài)超過屈服點B點，接近大震不倒設(shè)計點C點時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間非線性作用非常強烈，有些構(gòu)件已經(jīng)屈服甚至退出工作，因此在此階段，應(yīng)重點研究結(jié)構(gòu)整體性、努力提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性，以保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能。(3)CD之間部分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“意外安全儲備”，當遇到意外作用(如汶川地震)，意外安全儲備對保證結(jié)構(gòu)不倒塌具備著決定性作用。而意外安全儲備主要主要取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性，因此當遇到實際地震強度超過大震設(shè)計點時，為了使結(jié)構(gòu)的倒塌臨界點D點盡量推遲，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性。

三、合理選址

校舍優(yōu)先選擇有利地段，力求避開不利地段，嚴禁在危險地段建設(shè)校舍。

四、結(jié)束語

中小學生是祖國的未來，為了確保中小學生的安全，建議設(shè)計師在校舍樓時除要秉著“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則外，還可以在每層設(shè)計一個避震間，使其不但可以加強全樓的安全強度，而且可以為孩子們提供一個明確的避難場所。另外，中國在校舍建設(shè)方面也應(yīng)該積極引進國外的一些新型結(jié)構(gòu)體系及做法，如:(a)延性抗震框架與非抗震框架的混合使用;(b)復(fù)式框筒;(c)鋼梁鋼筋混凝土，拉架體系;(d)鋼板剪力墻等。

參考文獻:

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[3]建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.[責任編輯 魏杰]