中小學教學樓結構設計關鍵問題

李 勛 文

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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

1 結構的方案設計

在對建筑物進行方案設計時，要求結構設計的人員進行配合。在方案確定時，教學樓的建筑形式要求盡量規則，不宜選取一些平面或豎向不規則、平面開設較大洞口等嚴重不規則的建筑形式，避免在方案設計過程中得出對抗震不利的結構體型。一般意義上講，好的設計方案要求剛度對稱，平面布置簡單勻稱，結構四周剛度較好，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，可以通過設置抗震縫，將結構進行斷開，使得各個分隔單體形成規則布局。抗震縫的寬度要求可以查詢《建筑抗震設計規范》(以下簡稱抗規)，同時需要注意抗震縫屬于結構的抗震構造措施，布置時需要提高1度。

現在，很多近年建設的學校通常把各排教學樓和連廊進行連接，整體構成E字形或者串子形的建筑形式，其連廊多數采用單跨框架的結構體系。抗規對框架結構的跨數有明確要求，即框架結構不得采用單跨形式；即便一些地方允許采用單跨，但也要求對框架的抗震構造措施予以加強，包括框架柱軸壓比、框架柱箍筋進行適當的加強等措施。如地方明確規定不得采用單跨框架的結構形式，此時結構設計人員應當在建筑方案設計時提前交流，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構。若教學樓的建筑方案已經得到相關部門審批，確實無法調整建筑方案，這時可以將連廊結構設計為鋼結構或框—剪結構，這兩種結構都能夠避免前述框架體系存在的問題。若最終教學樓的建筑方案平面布置存在不規則，超出規范允許的范圍，則需要按照相關規范補充中震下結構的彈性計算，并按照該計算結果對框架柱進行配筋，結構的梁、板等構件則按照小震進行計算配筋，如此結構可以達到強柱弱梁的效果。

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

2 計算參數要求

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

2.1 周期

周期主要查看結構的前三個周期數值大小，抗震設計時要求結構的X，Y方向剛度相差不大，因此結構第一周期及第二周期應當較為接近，并且前兩個周期都為平動周期，如果結構前兩個周期出現扭轉，則表明結構的抗扭剛度存在不足，需要提高結構的抗扭剛度。

2.2 周期比

結構周期比是評判結構抗扭剛度的重要參數，通常控制結構第一平動周期與第一扭轉周期之間的比值。雖然相對多層結構來說，規范并未強制要求周期比，但設計過程中還是應當盡可能實現周期比不超過0.9的規定。

2.3 軸壓比

軸壓比是控制結構延性的重要參數。通常軸壓比越大，結構的脆性也就越大，越容易產生脆性破壞。現行規范對結構豎向構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，則需要采取調整構件截面尺寸、調整混凝土強度等級等方法。

3 施工圖設計

3.1 地下室結構

按照建筑設計方案，若設計有地下室部分，為了使得計算結果與結構實際更加接近，此時需要確保地下室頂板厚度等能夠達到嵌固端的相關要求。在設計過程中，可獨立計算上部結構部分；在計算地下室部分時，則需要把整個結構進行建模計算。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，在這部分區域可以通過對框架梁加腋等方法來提高結構承載力，也可以對箍筋進行加密、加粗。此外，在進行地下室結構施工圖設計時，還應當滿足抗規6.1.14條的規定。若地下室頂板厚度、構造等達不到嵌固上部結構的要求，則應當根據多塔結構的形式展開相關計算分析。

3.2 基礎部分

通常情況下結構的基礎工程相對隱蔽，同時地基基礎對結構的安全性至關重要。在對結構地基基礎設計計算時需要處理好以下幾點問題。設計等級：通常中小學教學樓大多是7層以內的多層建筑，按照《建筑地基基礎設計規范》及《建筑樁基技術規范》的相關要求，基礎通常為丙類基礎。受力計算：地基基礎承受的各類荷載中，豎向荷載通常相對直觀，但一些基礎的反力可能存在較大的水平力及彎矩，若在設計過程中忽略這一問題，則可能使基礎尺寸偏小，影響整個結構的安全；若完全考慮這一影響，則可能導致基礎出現偏心，導致基礎存在浪費。當結構基礎選擇低承臺樁基時，可以按照抗規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條件是否存在飽和液化土，若存在這一問題，則需要按照規范處理建議采取換填等措施[4]。

3.3 上部結構設計

在規范中，對于中小學教學樓明確了其抗震設防的類別不應低于重點設防類，屬于乙類建筑。確定了教學樓為重點設防類建筑后，需要按照《建筑抗震設計規范》要求提高1度，結合相關要求確定教學樓抗震等級。若建筑所處的建設場地類別為Ⅲ類、Ⅳ類時，對于設計基本地震加速度為0.15g和0.20g的地區，需要按照規范要求對結構的抗震構造措施提高一個等級。

3.4 樓梯部分

樓梯作為建筑受災時重要的逃生通道，同時歷次地震調查結果也表明，在地震過程中樓梯承受的破壞較為慘烈，樓梯也是整個結構的設計中的重要環節。樓梯間不宜布置在整個結構的最邊跨，這會導致結構地震作用增強，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構的抗震性。樓梯的四周需要布置框架柱。對于框架結構，樓梯則相當于在框架中形成了K形的支撐，對結構局部的剛度貢獻較大，影響了結構剛度均勻性。在抗規中也要求在結構計算時考慮樓梯對整體結構的影響。為了減輕這一問題，設計時將樓梯的支座設計為滑動支座，這樣樓梯對于整個結構的剛度貢獻降低，有利于結構的抗震性能。考慮到地震發生時，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，應當通過提高箍筋配筋率來保證其延性。

3.5 樓屋面板的設計

在中小學教學樓教室的區間大小通常為9 000 mm×9 000 mm，在設計中可以將樓屋面板設計為雙向板塊。板厚可以根據短向跨度的1/40去進行驗算，厚度也通常不要低于120 mm。考慮到溫度應力的相關影響，需要把結構的屋面層及樓層的最端部一跨設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 梁柱結構

在結構施工圖設計時，應當根據結構實際計算結果進行設計。在配筋設計過程中，需要考慮留出一定的富余度，也可以適當進行彎矩的調幅。在進行結構柱配筋時，需要考慮框架柱節點核心區的抗剪箍筋值。

4 結語

隨著國內經濟迅速發展，國家對于教育業的投資也逐漸增加，教育事業得到普遍重視。中小教學樓的建筑結構有著自身的特征，如房屋均為大開間、抗震設防要求高等，對中小學教學樓的設計值得進一步研究。結合中小學教學樓設計的相關經驗，從結構方案設計、計算參數控制及施工圖設計等3個方面闡述了中小學教學樓結構設計的關鍵事項，可為類似工程設計提供參照。

參考文獻：

[1] 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.

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

[3] 蘇冠興,李世宏.中小學教學樓消能減震設計與分析[J].建筑結構,2013(S1):585-589.

[4] 葛 衛.當前中小學教學樓的結構設計問題[J].工程建設與設計,2002(3):18-19.