關于學校與幼兒園建筑抗震設防專項審查若干問題的探析

殷 霞 云南建設學校土木工程系副高級講師，一級注冊結構工程師

2021 年9 月1 日，行政法規《建設工程抗震管理條例》開始施行，這是我國第一部國家層面的工程抗震領域專項法規。根據該條例第十六條規定，建筑工程根據使用功能以及在抗震救災中的作用等因素，分為特殊設防類、重點設防類、標準設防類和適度設防類。學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等建筑，應當按照不低于重點設防類的要求采取抗震設防措施[1]。位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等建筑應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，保證發生本區域設防地震時能夠滿足正常使用要求[1]。該法規體現了國家對學校建筑在抗震設防安全性方面的重視，本文對學校、幼兒園建筑的抗震設防專項審查中遇到的若干問題和相關處理方法展開討論。

1 學校、幼兒園建筑抗震設防專項審查的歷史沿革

《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223—2008）的第3.0.2 條（強條）規定：重點設防類應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施，但抗震設防烈度為9 度時應按比9 度更高的要求采取抗震措施；地基基礎的抗震措施應符合有關規定，同時，按本地區抗震設防烈度確定其地震作用[2]。第6.0.8 條明確規定：教育建筑中，幼兒園、小學、中學的教學用房及學生宿舍和食堂抗震設防類別應不低于重點設防類[2]。《云南省建筑工程抗震設防專項審查管理辦法》第二條規定將中小學校、幼兒園建筑納入云南省建筑工程抗震設防專項審查的對象；第四條規定將抗震設防專項審查納入基本建設管理程序，初步設計抗震設防專項審查意見作為有關部門審批初步設計的依據之一，施工圖抗震設防專項審查意見作為施工、質監、監理及竣工驗收的依據之一，未取得項目抗震設防專項審查批準書（初審意見表）的建筑工程，各有關建設行政主管部門不得發放施工許可證，不得辦理招投標、監理等相關手續，更不得組織驗收和投入使用[3]。《建設工程抗震管理條例》的施行將進一步推進學校建筑抗震設防專項審查的開展。

2 學校、幼兒園建筑抗震設防專項審查若干問題及處理辦法

根據學校、幼兒園建筑的特點，其結構體系通常會選擇鋼筋混凝土框架結構。然而重點設防類建筑的抗震設防要求較高；其次，框架結構自身存在側向剛度偏小、抗震能力不足的問題；第三，學校、幼兒園建筑功能需求日益復雜，經常出現各種功能截然不同的建筑單元被納入同一棟建筑內或連接在一起，出現各種不規則問題，甚至多項不規則指標超限，導致設計方案的技術經濟性不理想。為了能順利通過抗震設防專項審查，在方案設計和初步設計階段需要重點注意以下問題。

2.1 概念設計是學校、幼兒園建筑抗震設計的核心思想

概念設計是學校、幼兒園建筑抗震設計的核心思想[4]。重點設防類建筑對抗震設防的要求較高，合理的建筑體型和布置對結構的規則性影響重大。借鑒高層建筑或復雜建筑設計流程，建筑師與結構工程師在方案設計階段就應密切配合，在建筑布置（建筑體型）和結構布置（結構體系選擇和構件布置）兩方面，盡量減少不規則項的數量和程度，最大程度保證建筑的規則性，提高建筑的抗震能力和技術經濟性，避免在專審階段，因結構出現特別或嚴重不規則的情況被要求涉及到建筑層面的整改。

結構設計在最大程度保持建筑設計特色的基礎上，應貫徹清晰的力學思路，突出結構抗震重點環節，對結構進行合適的整合或拆分，使結構更易滿足抗震設防的要求。例如目前使用連廊將多棟教學樓連接的情況多有出現，連廊的使用有其優越性，主要體現在：學校建筑群容易形成鮮明的統一風格；方便各棟教學樓間的聯系；提供學生課余活動場所。但同時也存在一些問題：一是連廊將多棟教學樓連接成整體后，導致在地震時結構整體的受力及變形復雜，容易引起破壞。需要根據連廊的規模（層數及跨數）、使用的材料類型、與主體結構的連接方式等因素綜合評估連廊對結構抗震性能的影響程度，采取不同的調整措施。如果將教學樓和連廊視做整體，需要對二者在地震時的共同受力和協調變形有充分把握；如果將二者分開成為各自獨立的結構單元，則需要注意獨立連廊的抗震能力，連廊因此可能轉變為抗震不利的單跨結構，須對連廊采取加強措施。二是大范圍的連廊須重視消防安全問題，不能影響消防通行。三是連廊作為學生聚集的場所，設施的安全性也需要重點關注。再如，樓梯為滿足正常使用和應急疏散的需要，往往體量較大且經常出現在建筑的端部，此時沿樓梯斜板傳遞給主體結構的斜向地震作用影響不能忽略，要采取加強措施。對于主體結構與附屬結構是各自獨立還是連成一體需要認真比選，多方考量。

避免將學校建筑與周圍抗震設防類別不同的其他建筑混設在一起。例如，某大型高層住宅小區配套的幼兒園設在兩棟高層住宅之間的裙房內，裙房與兩棟高層建筑采用防震縫分開，但建筑設計中有一間屬于幼兒園的房間被設在高層住宅建筑中，高層住宅的抗震設防類別是標準設防類，與學校不同，導致高層住宅相關部分的抗震設防標準提高，不僅增加了造價，也因高層結構局部構件被加強，形成剛度突變，成為高層結構抗震的不利因素。處理這個問題最簡單易行的辦法是調整幼兒園的建筑設計，將抗震設防類別的不同的建筑分開設置，整個幼兒園設在獨立的結構單元內，互相不影響。

應對結構抗震能力差異較大部位要采取加強措施。例如某學校綜合館下部數層是訓練教室，柱多且連續、層高不大且一致，結構側向剛度較大、沿高度方向均勻連續；頂層是禮堂，中間的柱全部缺失且層高很大，屋蓋采用鋼網架或桁架，結構剛度較小，整個結構側向剛度豎向突變嚴重，頂層柱支承大跨度屋蓋要求較高。為此采用抗震性能設計方法，將禮堂外圍通長柱設為關鍵構件，采用HRB500 級鋼筋，或考慮配置型鋼將柱變成勁性混凝土柱，施工時需確保型鋼與下層柱連接良好；適當減小下部樓層的剛度，減小整體剛度突變。

2.2 其他需要注意的問題

建設資金對項目建設的影響。例如某學校的多棟建筑因建設資金原因需要分階段建造，建設方與設計方溝通不足導致初步設計在專審時被要求作較大整改。針對性的處理辦法為，一是雙方需要提前充分溝通，從建筑、結構、設備等方面確保各部分結構獨立具有符合規范要求的抗震能力。二是當建設資金充裕時，可以采用新穎別致的設計、大膽嘗試新技術新工藝，否則應首選技術經濟性好的方案，例如體型比較規則、平面和立面形狀簡單對稱、抗側力體系的剛度和承載力上下變化連續均勻、構造簡單、材料常用易買、施工工藝相對簡單的方案。

除主體結構進行抗震設計外，還要重視非結構構件的抗震設計，采取的措施也需要達到相應的設防水準，為實現建筑功能提供有效的服務。例如非承重墻體、附著于樓面和屋面結構的構件、裝飾部件、門窗幕墻、各種電氣部件、設備機電管線，特別是實訓教室的附屬機械設施等。

3 減隔震技術在學校建筑中的應用

在高烈度地震區，達到設防要求的學校建筑通常自重、剛度、構件截面和地震反應都比較大，技術經濟效果不夠理想。采用減隔震技術，設置隔震層或耗能構件，對結構剛度、承載力和延性進行優化，可以增加結構的抗震防線，減小在結構上的地震作用，控制構件的截面尺寸，獲得較好的技術經濟效果。

《云南省隔震減震建筑工程促進規定》要求抗震設防烈度7 度以上區域內三層以上、且單體建筑面積1 000 m2以上的學校、幼兒園校舍和醫院醫療用房等建筑工程應采用減隔震技術來減小結構的地震響應，消耗結構的地震能量，提高結構的抗震能力，并在減震數值上滿足相關規定[5]。

3.1 學校建筑的隔震設計

隔震設計是在結構基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置隔震層，將場地傳來的地震作用與上部結構隔離，延長整個結構的自振周期，達到減小上部結構響應，消除或減輕結構和非結構構件的地震損壞，提高安全性，增強建筑物的抗震能力和震后繼續使用的目的[6]。隔震層是由隔震支座、阻尼裝置、抗風裝置、限位裝置、抗拉裝置等組成的具有整體復位功能的系統的總稱。隔震支座的類型主要有天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、彈性滑板支座、摩擦擺支座等。

采取隔震措施時的注意事項主要有：第一，科學設定隔震目標，采用隔震技術后，一般可降低50%的水平地震作用，構件截面比無控結構明顯減小[6]。同時構件仍要符合“強柱弱梁”“強剪弱彎”的原則，對受力復雜的重要結構構件（如轉換柱、角柱等），應對其剪力及彎矩進行放大，增大結構的安全性。第二，確定隔震層位置，隔震層宜設置在結構底部或中下部，基礎隔震是采用最多的類型，中間層隔震其下部樓層的抗震設防標準與普通建筑一致。第三，隔震層設計要求為，隔震支座應設置在受力較大的部位，根據豎向承載力、側向剛度和阻尼的要求確定隔震支座的規格、數量和分布，使隔震裝置的豎向變形盡量保持一致；對于傾覆效應明顯、基底可能產生拉應力的結構選取適合的隔震支座，須對結構進行整體抗傾覆驗算，對隔震支座進行拉壓承載能力驗算，并注意核驗結果；隔震支座設計使用年限不應低于隔震結構設計使用年限，且不宜低于50 年；隔震裝置應便于檢查和替換[6]。第四，采用性能化設計方法，將隔震層支墩、支柱及相連構件作為關鍵構件，采取加強措施。第五，其他注意事項有，建筑與周圍設施間的豎向隔離縫應完全貫通，并滿足隔震支座極限水平變位時對縫寬的要求，確保在罕遇地震作用下不發生阻擋和碰撞；當縫寬受限時，可在隔震建筑之間設置阻尼器以減少位移；采取防水、防潮、防止異物進入的措施，并進行重點檢查；穿越隔震層的樓電梯、車道、設備管線等應適應隔震層的位移和變形，不能阻礙隔震層變形、發生碰撞或損壞設施；設備管線應采用柔性連接，避免發生次生災害和喪失使用功能；室外臺階、門廳入口等應避免地震時的阻擋和碰撞，不影響人員疏散。

3.2 學校建筑的消能減震設計

消能減震設計是在房屋結構中的某些部位（如支撐、剪力墻、節點、聯結縫或連接件、樓層空間、相鄰建筑間、主附結構間等）設置消能器（阻尼或元件），通過消能器產生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉）和彈塑（或黏彈）性滯回變形等，提供附加阻尼，耗散或吸收地震輸入結構中的能量，減小結構的地震響應，降低構件的內力和變形，實現預期的減震目標。消能器根據工作原理分為位移相關型（金屬消能器、摩擦消能器、屈曲約束支撐等）、速度相關型（黏滯消能器、黏彈性消能器等）、復合型（鉛黏彈性消能器等）三類。

屈曲約束支撐（BRB）小震時可以提高結構抗側剛度，減小框架柱分擔的地震力，大震時屈曲耗能，減小地震響應。阻尼器在小震時即進入耗能階段，給主體結構提供附加阻尼比，增加結構在地震作用下的耗能，減小地震響應。采用抗震性能化設計可以實現比現有規范更高的設防目標，根據建筑的實際需要，可以針對整個結構、局部部位和關鍵部位、重要構件、次要構件及建筑構件和消能構件選定性能目標。

采取減震措施時的注意事項主要有：第一，科學設定減震目標，采用減震技術后，小震作用下地震力可減小約15%到20%，大震作用下結構層間位移可減小約30%[7]。消能減震結構的抗震性能明顯提高時，主體結構的抗震構造措施要求可適當降低，降低程度根據消能減震主體結構與傳統結構的地震剪力比確定，最大降低程度應控制在1 度以內。工程設計中應對附加阻尼比進行折減后再應用，檢驗減震目標的實現情況。消能器的使用也可能增加結構造價，對不同減震設計方案及傳統抗震設計方案進行綜合比選后確定的優秀減震方案可以明顯減小構件截面尺寸和配筋率，體現抗震性和經濟性上的優勢。第二，消能部件宜沿結構主軸方向布置，設置在層間相對變形或速度較大的位置，支撐形式的減震設備宜采用交叉布置的方式，提高消能減震效果。第三，消能器的設置應方便檢查、維護和替換，應注意減震設備的使用時限[7]。第四，消能器是非承重構件，其功能僅在結構變形過程中發揮耗能作用，一般情況下不承擔結構豎向荷載作用，不改變主體結構的豎向受力體系[7]。第五，根據需要選擇不同類型的阻尼器形成“混合阻尼器”減震結構，例如將屈曲約束支撐與摩擦型阻尼器結合，屈曲約束支撐能有效提高結構剛度，摩擦型阻尼器在小震下提供附加阻尼比起到耗能作用[8]。第六，減震技術比較適合對既有建筑進行加固，學校類建筑可以利用假期完成。

4 結語

隨著我國經濟技術的發展，學校建筑的功能越來越完善，各方面要求越來越多，建筑結構不規則和復雜程度也越來越大，學校建筑按不低于抗震重點設防類建筑采取抗震措施，其抗震設計應從概念設計基本原則出發，結合建筑功能需要和建設情況，采用性能化設計方法，同時配合采用隔震消能減震的措施，才能很好的實現抗震設防目標，有效減小構件截面尺寸，獲得良好的技術經濟效果。