淺談中小學砌體結構教學樓的抗震設計

摘 要：分析了5.12汶川大地震中，中小學砌體結構教學樓的震害原因，提出了應按抗震規范概念設計的要求，保證結構整體的抗震性能，提高其延性，以確保學校建筑的抗震安全性。

關鍵詞：地震；中小學砌體結構教學樓；抗震設計

5.12汶川大地震，不僅在震中區附近造成災難性的破壞，而且在四川省和鄰近省市大范圍造成破壞，許多砌體結構的教學樓倒塌，未倒塌的教學樓也都受到不同程度的破壞，在校師生的傷亡慘重。

1 震害原因分析

1.1 抗震設防烈度

5.12汶川大地震，震級為M8.0級，震中烈度達11度，遠遠超過了現行建筑抗震設計規范規定的抗震設防烈度。

1.2 教學樓結構特性

震區倒塌或嚴重損壞的中小學教學樓一般都為砌體結構，脆性大、延性差、抗拉和抗剪能力均較差。且教學樓多為兩道縱墻、縱墻開洞較多、橫墻少，另加一外挑走廊。在強烈地震作用下，這種砌體結構更易發生剪切破壞，導致房屋的整體破壞和倒塌。

1.3 抗震構造措施

震區倒塌的教學樓大多是80年代甚至更早的建筑，絕大多數為磚砌體加預制板的結構，抗震設防標準低，抗震構造措施不足，圈梁和構造柱設置數量偏少，預制板與墻體和圈梁缺少可靠連接。在使用階段又缺乏管理，甚至根據學校的需要隨意進行結構改造，最常見的方式是未經設計復核就任意加層。因此這些早期的村鎮學校教學樓大多存在著相當多的質量安全隱患，多數沒有設計圖紙和施工驗收資料。汶川地震表明：凡是嚴格按照89抗震規范或2001抗震規范的規定進行設計、施工和使用的教學樓，在遭遇到比當地設防烈度高一度的地震作用下，均經受了考驗，沒有出現倒塌破壞，有效地保護了師生的生命安全。

2 設計對策

2.1 提高抗震設防分類標準

《建筑工程抗震設防分類標準》規定：中小學教學樓的抗震設防類別為乙類，設防標準應不低于重點設防類。當地抗震設防烈度為6-8度時，應按本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震構造措施。

2.2 抗震驗算

2.2.1 教學樓多采用抗震性能相對較差的外廊式單跨砌體結構。因此，平面結構布置宜簡單均勻、規則、對稱，立面宜簡潔，上下樓層的橫墻應基本對齊，結構的質心與剛心盡量重合，以避免和減輕結構在地震作用下的扭轉破壞。對于體型復雜、平立面不規則的教學樓，應設防震縫，形成多個較規則的抗側力結構單元，避免出現轉角及平面突出。

2.2.2 砌體結構的抗震能力，除依賴于橫墻間距、磚和砂漿的強度等級、結構的整體性和施工質量等因素外，還與房屋的總高度有直接的聯系。因此，砌體結構教學樓的總層數與高度應比《建筑抗震設計規范》中表7.1.2的規定減少兩層、總高應降低6m。為了滿足樓蓋對傳遞水平地震力所需的剛度要求，抗震橫墻的間距不應超過表7.1.5的規定。

2.3 抗震構造措施

2.3.1 在砌體結構中，構造柱與圈梁共同工作形成弱框架體系，能夠有效約束砌體墻，提高其承載力及位移延性，增強在大震作用下結構的防倒塌能力。因此，砌體結構教學樓應嚴格按《建筑抗震設計規范》中7.3.1條的要求設置構造柱。當外縱墻洞口寬度>2m時，洞口兩側應增設構造柱。

教學樓外縱墻的開洞率不宜大于50%，不應大于60%。外縱墻的獨立窗間墻為主要豎向承重構件，一旦遭遇破壞垮塌，會引起結構的整體坍塌。所以保證窗間墻中部大梁下的獨立墻體的抗震承載力及位移延性是很重要的。應沿縱向在每個獨立窗間墻中部大梁下設置鋼筋混凝土扶壁柱并加大扶壁柱的截面尺寸和配筋，可有效增大窗間墻的抗剪、抗彎承載力及穩定性，有利于“強豎向（窗間墻）、弱水平（窗臺墻）”的延性屈服機制的實現。當窗臺墻出現嚴重剪切破壞時，構造柱混凝土骨料之間的咬合力與構造柱中縱筋的銷栓作用給窗間墻提供了很重要的側向支承，從而避免了砌體沿貫通裂縫形成脫離體而垮塌，保證了窗間墻“大震不倒”。

圈梁應每層設，且閉合，其高度應不小于240mm。外縱墻窗臺部位應增設通長圈梁，高度120mm，以增強窗下墻體的抗剪強度。

2.3.2 教學樓的橫墻間距大，結構空間的整體性較差，為加強結構空間的整體作用，可采取以下措施：所有墻體均設地圈梁，有利于抵抗地基的不均勻沉降引起的破壞；所有構造柱應錨入混凝土條基內，以加強基礎墻體的整體性；樓屋蓋應采用現澆鋼筋混凝土樓板，以加強整個結構的平面剛度和整體性。

2.3.3 配電箱等洞口應盡量避免設置于縱向獨立窗間墻等薄弱部位的墻體之中。在配電箱等墻體開洞薄弱部位，宜在洞口上下磚縫中配置水平鋼筋或在洞口周邊設置邊框等構造措施予以加強。

2.3.4 教學樓中墻肢的局部尺寸限值應滿足《建筑抗震設計規范》第7.1.6條的要求，以防止因這些部位的失效，而造成整個結構的破壞甚至倒塌。承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離和承重窗間墻的最小寬度應比規范中要求更高。當不能滿足規范限值要求時，應在洞邊增設構造柱或增加水平配筋等措施，以提高小墻肢的抗剪能力。在縱橫墻交接處附近開洞時，洞口邊緣距交接處墻邊的最小距離應大于300mm，以保證交接處墻體的整體性。

2.3.5 樓梯間作為地震時的關鍵疏散通道，在緊急情況下應發揮應有的疏散作用。由于樓梯間比較空曠，墻體缺少各層樓板的側向支承，有時還因為樓梯踏步削弱樓梯間的墻體，尤其是樓梯間頂層，墻體有一層半樓層的高度，地震時受力比較復雜，容易造成破壞，因此教學樓的樓梯間盡量不設在端開間。應按《建筑抗震設計規范》第7.3.1條規定，在樓梯斜梯段上下端對應墻體處增設四根構造柱，與在樓梯間四角設置的構造柱，合計共八根構造柱，再與《建筑抗震設計規范》第7.3.8條規定的樓層半高的鋼筋混凝土帶等可構成應急疏散安全島。頂層樓梯間墻體應沿墻高每隔500mm設2φ6通長鋼筋和φ4分布短鋼筋平面內點焊組成的拉結網片。突出屋頂的樓梯間，地震中受到較大的地震作用，在構造措施上要特別加強。因此構造柱應伸到頂部，并與頂部圈梁連接，所有墻體應沿墻高每隔500mm設2φ6通長鋼筋和φ4分布短鋼筋平面內點焊組成的拉結網片。

在地震作用下，樓梯梯板起到類似“斜撐”的作用，不但承受彎矩作用，而且受到沿梯板方向軸向拉壓的作用。所以梯板的配筋除在原有基礎上配置下部通長鋼筋和支座構造鋼筋以外，梯板上部跨中也應增設與兩側支座處板頂鋼筋按照受力搭接的鋼筋，以保證水平地震力的有效傳遞，避免出現梯段受拉破壞。

2.3.6 走廊欄板應優先采用現澆鋼筋混凝土欄板。當采用120mm厚磚墻時，每開間應設構造柱，且間距不大于3.6m，構造柱斷面應不小于120X240，磚砌欄板的頂部應設現澆鋼筋混凝凝土壓頂，構造柱鋼筋應錨固于壓頂內。120厚磚墻應每隔5皮磚，設兩根直徑為6mm的通長拉結鋼筋，錨固于構造柱內。

3 結束語

我們廣大設計工作者應肩負重任，把中小學教學樓設計成結構合理、安全、堅固、延性好、抗震能力強的建筑，使之成為名符其實的抗震“第一避難所”，讓學生、家長和全社會放心！

參考文獻

[1]徐正忠，王亞勇，王迪，民.等GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]黃世敏，楊沈，等.建筑震害與設計對策[J].中國計劃出版社.

作者簡介：趙玉潔（1974，2-），女，1996年畢業于江漢石油學院建筑工程專業，工程師，南陽市規劃設計院。