中小學教學樓抗震概念設計初探

摘 要：通過中小學教學樓實際震害分析，表明教學樓概念設計是十分重要的，并從建筑結構的規則性、多道抗震設防、延性、整體性及填充墻布置等幾個方面，對該類建筑的抗震概念設計進行了探討，并提出了一些經驗性建議，使教學樓建筑結構實現“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”的三水準抗震設防目標。

關鍵詞：教學樓；震害；概念設計；抗震設計

1 引言

結構抗震概念設計是根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程，是保證結構具有優良抗震性能的一個關鍵問題。概念設計包含極為廣泛的內容，如結構方案和布置的選擇，多道抗震設防的設置，結構的延性設計，及結構整體性的保證等，從方案、布置、計算到構件設計、構造措施每個設計步驟中都貫穿了抗震概念設計內容。然而，在結構設計過程中，設計人員缺少對結構抗震基本理論知識的理解和抗震設計經驗，更多地機械地依賴日益傻瓜化的計算機軟件，忽略了抗震概念設計。

概念設計是工程師運用思維和判斷力，根據從大量震害經驗得出的結構抗震原則，從宏觀上確定結構設計中的基本問題。歷次地震震害表明，許多中小學教學樓在地震過程中破壞嚴重甚至倒塌，人員傷亡慘重，給人們帶來沉痛的教訓，同時引起了研究人員對教學樓設計的反思。歷次地震過程中，教學樓倒塌并不是個例，本文以磚混結構及框架結構兩種常用的結構形式為對象，通過對中小學教學樓建筑震害進行分析，對結構抗震概念設計存在的問題及方法進行探討。

2 震害分析[1-4]

2.1磚混結構

磚砌體結構由于造價低，經濟性較好，在我國中小學校建筑里被廣泛采用。磚砌體是一種脆性材料，其抗拉和抗剪能力較差，在強烈地震作用下，易發生剪切脆性破壞。因此，砌體教學樓不可避免地在地震中產生嚴重震害，甚至導致房屋的倒塌，如圖1所示為聚源中學倒塌的教學樓。

圖1 聚源中學 圖2 漩口中學

磚混結構教學樓建筑的震害主要有：墻體由于抗剪不足產生了沿對角的交叉斜裂縫，這是比較常見的震害情況，幾乎在所有的受損的教學樓建筑中都存在；教學樓橫墻間距較大，同時為了滿足采光的要求，縱墻上開洞較大且較多，導致墻體薄弱，破壞嚴重；建筑平、立面不規則，導致結構在地震作用下發生角部扭轉破壞及薄弱層的破壞；磚混結構教學樓大多采用預制樓板，且有些沒有設置構造柱、圈梁及其他拉結等構造措施提高其延性和抗倒塌能力，導致大地震中結構由于整體性不足發生傾斜倒塌。

2.2 框架結構

鋼筋混凝土框架結構一直以來被公認為抗震性能較好的結構類型，然而在地震中，盡管大部分教學樓建筑主體基本完好，其抗震性能優于磚混結構，但部分該類教學樓結構破壞嚴重甚至倒塌。中、小學教學樓因為采光等要求通常采用單跨、外廊式單跨或外廊式雙跨的框架結構形式，尤其大小跨三柱式外廊式教學建筑以其良好的自然通風、采能，抗震性能相對較好，而廣泛應用。然而，此結構形式在罕遇地震下卻產生倒塌，如圖2所示。

鋼筋混凝土框架結構教學樓建筑的震害主要有：填充墻等非結構構件破壞嚴重，填充墻開裂嚴重，甚至產生了平面外倒塌；結構產生了明顯的柱鉸機制，而不是梁鉸機制，框架柱和框架梁產生了大量斜裂縫，而不是受彎開裂，“強柱弱梁、強剪弱彎”抗震設計原則沒有得到有效保證；結構由于布置不規則，平面凹進和突出的角部、L形的角部等局部破壞較嚴重，甚至出現局部垮塌；填充墻對框架的約束作用，窗間墻對框架柱產生了短柱破壞；結構底層薄弱，框架整體剛度不大，冗余度小，結構出現整體倒塌。

3 抗震概念設計探討

通過地震震害分析表明，教學樓建筑的嚴重破壞排除施工質量的原因，抗震概念設計的忽視和不合理是其中很重要的原因，下面結合實際震害，對教學樓建筑的抗震概念設計從以下幾個方面進行探討[5-8]。

3.1 建筑結構的規則性

規則性是概念設計的一個重要概念，合理的建筑布置在抗震設計中是十分重要的，簡單、對稱的結構抗震性能較好。《抗震規范》對建筑方案的規則性提出了強制性要求，提倡平面布置基本對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異，同時對結構的平面及豎向不規則做了定量判斷，但并未對不對稱的判斷及抗側力構件的布置等做明確規定。中小學教學樓建筑結構形式由于氣候原因存在區域性，多跨抗震性能優于單跨，南方地區外廊式教學樓的應用比較廣泛。該類結構形式由于教室跨度遠大于走廊跨度，橫向明顯不對稱，但根據規范，此類結構設計過程中通常作為普通的規則性結構處理。然而，通過對漩口中學同一場地的建筑震害對比可見，外廊式教學樓不利于實現大震不倒的設防目標。教學樓合理的結構形式是保證建筑抗震安全的重要因素，日本、美國等國家對中小學教學樓的抗震性能的要求較高，在平面布置方案上要求極其嚴格。因此，設計人員應該對所設計的結構的抗震性能有所估計，尤其對于多層教學樓建筑的結構形式更該慎重和嚴格地對待，實現對抗震有利的結構平面布置、立面布置，嚴格控制橫墻的間距，對于薄弱部位可以采取設置構造柱等抗震構造措施，使結構布置更規則，受力更均勻。

3.2 多道抗震設防

在地震往復荷載作用下，建筑結構體系宜具有多道抗震防線，以避免部分結構或構件破壞而導致整個體系喪失承載能力或倒塌。實際震害表明，地震中“強梁弱柱”式破壞機制普遍存在于框架結構體系中，中小學框架結構教學樓亦如此。目前，對于如何實現梁先于柱屈服，尚未有可行的辦法，設計過程中樓板和填充墻的作用不容忽視。由于抗震墻及填充墻可提高框架結構的耗能能力，因此，對框架結構教學樓可以考慮合理布置抗震墻及輕質填充墻，作為結構的第一道抗震防線。另外，從多道抗震設防考慮，橫向多跨結構抗震性能優于單跨結構，所以教學樓建筑中應采用多跨結構體系，外廊懸挑式結構及單跨結構在教學樓建筑中盡量不要采用。

3.3 結構的延性及整體性

結構的延性是指結構在承載力無明顯降低的前提下發生塑性變形的能力，是防止在地震作用下倒塌的關鍵因素之一。結構的整體性是指在結構產生很大程度破壞時，結構構件能協調工作，結構中所有的構件能夠充分發揮各自的承載能力和塑性變形能力，整體性與延性二者密切相關。對于教學樓建筑結構，應優先選擇鋼筋混凝土框架結構，其延性及整體性均優于砌體結構。對于框架結構的延性影響因素較多，主要取決于構件的破壞形態及其塑化過程，彎曲破壞的延性遠遠大于剪切破壞。在框架結構設計中，應始終遵循“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點，強錨固”的抗震設計原則，嚴格控制柱的軸壓比，提高柱的延性，加強構造措施，從而改善結構體系的延性及整體性。在砌體結構設計中，優先采用現澆樓板，各個抗側力構件必須保證可靠的連接措施，確保空間協同工作。

3.4 填充墻的布置

框架結構設計過程中，填充墻通常作為非結構構件考慮，忽視填充墻與框架之間的相互作用。實際地震震害表明，填充墻的破壞嚴重，填充墻對框架結構的抗震性能產生了較大影響，填充墻的作用不容忽視。一方面，填充墻對框架結構具有剛度效應，對于結構平面布置本身就不對稱的教學樓建筑結構，不合理地布置填充墻時，更易引起結構的薄弱部位的產生，對抗震性能產生更加不利的影響。另一方面，填充墻對框架結構具有約束效應，易導致框架柱頂的脆性剪切破壞及窗間墻處的短柱破壞。因此，為避免填充墻對框架結構教學樓建筑產生不利影響，應該合理考慮填充墻的布置，盡量使結構質量及剛度均勻，嚴格控制輕質填充墻墻材料的性能，對于易產生短柱破壞的部位加強配箍，同時保證填充墻與框架間柔性連接。

4 結束語

中小學校是培養祖國希望的搖籃，教學樓的抗震設計關系著億萬生命的安全。在中小學教學樓抗震設計過程中，對于多發地震地區，加強結構的抗震概念設計至關重要。首先，優先選擇雙跨或多跨的鋼筋混凝土框架結構或帶剪力墻的延性及整體性好的結構體系；其次，合理布置抗側力構件及非結構構件，盡量選擇規則、對稱的結構布置形式；最后，嚴格執行“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點，強錨固”的抗震設計原則。通過加強綜上抗震概念設計，教學樓建筑一定能較好地實現結構“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”的三水準抗震設防目標，使中小學建筑地震來臨時成為堅固的避難所。

參考文獻

[1]郭樟根，孫偉民，倪天宇等.汶川地震中小學校建筑震害調查及抗震性能分析[J].南京工業大學學報（自然科學版），2009，31（1）：49-54.

[2]史慶軒，楊坤，王秋維等.汶川大地震村鎮中小學建筑的震害調查和分析[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2008，40（5）：601-607.

[3]葉列平，李易，潘鵬.漩口中學建筑震害調查分析[J].建筑結構，2009，39（11）：54-57.

[4]徐有鄰.汶川震害的教訓-教學樓倒塌的反思[J].建筑結構，2009，39（11）：50-53.

[5]中華人民共和國建設部.建筑抗震設計規范（GB50011-2001）[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[6]白鳳.論我國中小學教學樓防倒塌的抗震概念設計[J].工業建筑，2009，39（1）：42-46.

[7]楊鎮峰.概念設計在建筑結構設計中的應用[J].山西建筑.2010，36（24）：76.

[8]劉鵬，高劍平，許開成.建筑結構概念設計淺析[J].山西建筑.2004，30（22）：32-33.