8度抗震区多层钢结构的抗震设计
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[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008年版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2] 钢结构设计规范(GB50017-2003)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[3] 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）[S]. 北京：中国建筑工业出版社,1998
上海绿地设计
有效质量参与系数
3.2.2 有效质量参与系数
本文对结构选取9个振型参与组合时对应的有效质量 参与系数如下：
X方向的有效质量系数： 98.41％；
Y方向的有效质量系数： 91.79％；
满足《抗震规范――条文说明》5.2.2中规定的： “振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90％ 所需的振型数”。
5.26
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
8
0.3309
82.42
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
9
0.3305
59.72
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
由上表可知：第一振型模态为X向平动，第二振型模态为Y向平动，第三 振型模态为扭转振型。扭转振型周期与第一平动振型周期之比为0.627， 小于0.9，满足规范相关规定。
上海绿地设计
摘要、关键词
【摘要】以都江堰绿地土桥小学教学楼的结 构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计 原理，介绍多层钢结构在8度抗震设防地区的 抗震设计和措施，总结了设计中常见问题的 注意事项。
【关键词】多层钢结构；8度设防；抗震概念 设计；结构体系；设计细节。
上海绿地设计
W0＝0.40 kN/㎡
T1＝0.27 s μs＝1.30 CQC耦联
9 0.16
0.90
0.50 0.80
其它计算参数
取值原则
安全等级为二级 《建筑抗震设计规范》
（2008年版）
上海绿地设计
计算结果
3、计算结果及分析
3.1结构的总质量
活载产生的总质量 (t): 101.043 恒载产生的总质量 (t): 1394.673 结构的总质量 (t): 1495.717
上海绿地设计
2、主梁与柱连接采用固接：
主梁与柱
上海绿地设计
3、主梁与次梁连接采用铰接：
主梁与次梁
上海绿地设计
楼板设计
4、楼板设计： 楼板为压型钢板非组合楼板，由于教学楼的 耐火等级为二级，楼板为不燃烧体，耐火极限为 1.0h，如果压型钢板参与结构计算，形成组合楼 板，则须对其进行防火处理，喷涂防火涂料，涂 层厚度1.0㎜，涂料理论用量为：1.6～1.7㎏/㎡， 折合造价为：91元/㎡，压型钢板折合造价为：98 元/㎡，两者差距不大，而且非组合楼板增加安全 系数，缩短施工周期。 建模时，非组合楼板用等效刚度的混凝土楼 板代替。
设计地震分组
第二组 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
特征周期Tg
0.40 s 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
抗震措施
9度
《建筑抗震设计规范》（2008年版）
上海绿地设计
表2 其它计算参数
分类
总 信 息
风 荷 载 信 息
地 震 信 息
规划小学12班，学生540人，新建校舍建筑面积约 4433.5 ㎡，其中：三层（局部四层）综合教学楼3748 ㎡，食堂及生活辅房618㎡，警卫室36㎡，消防水泵房 31.5㎡。运动场包含200米环形塑胶跑道一座。
土桥小学教学楼是上海对口援建项目中唯一一座全 钢结构建筑。
在“5.12”汶川大地震前，都江堰教学楼多数采用砖混结 构和单框架结构，房屋外廊采用悬挑结构，地震中多有损坏。 为了提高结构安全等级，本设计采用钢结构三柱框架体系， 即外廊外沿设柱，增加教学楼的安全储备，使其成为震不垮 的避难之所。
教学楼平面布局为规则长方形，楼板无大洞口削弱；立 面简洁、整齐，有利于抗震。
上海绿地设计
屋面设计
5、屋面设计： 本工程屋面大部分为覆彩钢坡屋面，坡 度21.8°。当地学校建筑大多以坡屋面为主， 上铺水泥瓦。在“5.12”地震时，多有屋面 水泥瓦脱落砸伤人员的情况发生。
为解决这一难题，并保留“川西北民居” 风格，本设计屋面采用大片灰色镀锌钢板 (0.5厚），避免了地震中屋面瓦的脱落，同 时减轻屋面自重，有利于抗震。
绪论
一、绪论：
“5.12”汶川大地震给当地人民群众生命财产造 成巨大损失。从受灾情况看，震区建筑大多为砖混 (凝土)建筑，楼板和屋面采用混凝土预制件则是地震 中的最大杀手。砖混结构房屋受压较好，但塑性和韧 性很差。地震时，房屋在地震波上下左右循环反复荷 载作用下，立即发生整体垮塌，人员来不及逃生，这 是这次地震伤亡惨重的最主要原因。
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食堂
上海绿地设计
Ⅱ类 《都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告》
抗震设防分类
乙类 《建筑工程抗震设防分类标准》
多遇地震下的阻尼比 0.035 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
罕遇地震下的阻尼比 0.050 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
抗震设防烈度
8度
《建筑抗震设计规范》（2008年版）
设计基本地震加速度 0.20g 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
因此，在震区重建中，我们必须考虑建筑结构和 材料问题。
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概况
二、都江堰市绿地土桥小学概况：
新建土桥小学位于都江堰市原土桥小学旧校址， 在四川省都江堰市崇义镇土桥乡，该地块东西长约 120m，南北宽约130m，用地面积约15950 ㎡ ，场地 东侧靠近灌温路，交通方便。
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入学仪式
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入学仪式全景
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综合楼
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教学楼
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行政楼
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实验楼
1.2.1 计算模型的建立 取标高－0.500（基础杯口）以上部分作为研究 对象。
2、结构信息：
2.1 抗震设防
上海绿地设计
抗震设防信息
表1 抗震设防信息
类别
取值
依据
结构安全等级
二级 《建筑结构可靠度设计统一标准》
设计使用年限
50年 《建筑结构可靠度设计统一标准》
场地土类别
上海绿地设计
鸟瞰图
上海绿地设计
模型信息
三、模型信息：
1、建筑结构布置和选型
1.1 建筑结构布置教学综合楼平面布置整体为U形，由抗 震伸缩缝分为三个独立单体，教学楼（三层钢框架结构）、 行政楼（四层砼框架结构）、试验楼（三层砼框架结构）。
本文所论述的对象是教学楼（三层钢框架结构），上部 结构由抗震缝与相邻建筑脱开，形成独立结构体系，可单独 进行上部结构计算，对抗震有利。
由计算结构可知，最大层间位移角 X方向为:1/314（第一层）， Y方向为:1/427（第一层）， 均小于1/300，满足规范要求。 本结构最大层间位移比， X方向为:1.41， Y方向为:1.17， 均满足规范规定要求小于1.5。
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柱脚
四、设计细节
1、柱脚选用固接。采用插入式柱脚，为增强柱脚锚固，柱子 插入基础杯口部分加焊栓钉。
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结论
五、结论：
“5.12”汶川大地震灾后重建项目—土桥 小学目前已设计、施工完成，并成功投入使 用。该项目对震后重建中针对8度抗震设防要 求，如何选择结构形式进行了有益的探讨， 并成为钢框架结构在灾后重建中优于混凝土 框架结构的一个很好的点构造详图（01SG519）[M]. 中国建筑标准设计研究所，2001.
[5] 全国民用建筑工程设计技术措施——结构[M]. 北京：中国计划出版社，2003.2.
[6] 刘其祥,蔡益燕,朱知信,顾泰昌.多高层房屋钢结构梁柱刚 性连接节点的抗震设计[J].
建筑结构，2001,(8). [7] 蔡益燕.考虑塑性铰外移的钢框架梁柱连接设计[J].
0.07
3
0.6463
102.15
4
0.3817
179.84
0.37 ( 0.00+0.37 ) 0.93 ( 0.93+0.00 )
0.627 0.07
5
0.3694
177.82
0.01 ( 0.01+0.00 )
0.99
6
0.3473
56.40
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
7
0.3414
035多遇地震下的阻尼比建筑工程抗震设防分类标准乙类抗震设防分类都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告类场地土类别建筑结构可靠度设计统一标准50年设计使用年限建筑结构可靠度设计统一标准二级结构安全等级依据取值类别抗震设防信息www
8度抗震区多层钢结构的抗震设计
--绿地土桥小学设计心得
上海绿地建设设计研究院有限公司
上海绿地设计
抗震缝
抗震缝
平面图
一层平面图
上海绿地设计
立面图
上海绿地设计
计算程序
1.2计算程序
本工程上部结构计算采用中国建筑科学研究院编 制的PKPM系列—STS、SATWE多层版建筑结构分析与设 计软件。
3.2 结构动力特性
3.2.1 振型与周期(总刚分析方法)
上海绿地设计
振型分析表
表3 振型分析表（考虑扭转耦联）
振型号 周期
转角
平动系数 (X+Y)
扭转系数
备注
1
1.0313
179.64
1.00 ( 1.00+0.00 )
0.00
2
0.7735
88.85
0.93 ( 0.00+0.93 )
3、从结构自重及对基础的影响比较：土桥小学 教学楼比土桥小学实验楼结构轻50%以上，对抗震更 为有利，基础处理、运输量的成本也会下降。
4、从柱子截面及对建筑空间的影响比较：土桥小 学教学楼比土桥小学实验楼的柱子截面小，增加了约 5%的空间面积。
上海绿地设计
参考文献
参考文献:
上海绿地设计
侧移刚度
3.3 各层侧移刚度及层刚度比
从计算结果中看出，X、Y方向本层 侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比 值或上三层平均侧移刚度80%的比值中较 小值为:1.11，各层侧向刚度无突变。
上海绿地设计
剪重比
3.4 最小剪重比
在X方向地震力作用下，上部结构底层的剪重 比为:8.52%；
在Y方向地震力作用下，上部结构底层的剪 重比为:10.32%；
抗震规范(5.2.5)条要求的楼层最小剪重比 为:3.20%。
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位移角和位移比
3.5层间位移角和位移比
本结构属于钢框架结构，按照《抗震规范》5.5.1 条要求，故采用1/300的位移角限值来严格控制其抗震 变形。
上海绿地设计
结论
1、从用钢量上比较：土桥小学教学楼（钢框架 结构），建筑面积1303㎡，总用钢量137.455t，折合 用钢量105㎏/㎡；同等建设规模的土桥小学实验楼采 用钢筋混凝土框架结构，用钢量为105㎏/㎡。
2、从建设速度比较：土桥小学教学楼比土桥小学 实验楼建设速度要快50%，节省了很多时间成本，全 部工程周期为143天。
设计参数 地震力计算
结构类别 地下室层数 裙房层数 结构重要性系数 修正后的基本风压
结构基本周期
体形系数
振型组合方法 计算振型数 多遇地震水平地震影 响系数最大值 罕遇地震水平地震影 响系数最大值 活荷质量折减系数 周期折减系数
取值 计算X、Y两个方向水平地震力， 不必计算竖向地震力
框架结构 无 0 1.0
建筑结构，2004.(2).
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土桥小学原有大门
上海绿地设计
土桥小学原有建筑
上海绿地设计
土桥小学原有建筑
上海绿地设计
土桥小学原有建筑
[2] 钢结构设计规范(GB50017-2003)[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.
[3] 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）[S]. 北京：中国建筑工业出版社,1998
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有效质量参与系数
3.2.2 有效质量参与系数
本文对结构选取9个振型参与组合时对应的有效质量 参与系数如下：
X方向的有效质量系数： 98.41％；
Y方向的有效质量系数： 91.79％；
满足《抗震规范――条文说明》5.2.2中规定的： “振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90％ 所需的振型数”。
5.26
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
8
0.3309
82.42
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
9
0.3305
59.72
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
由上表可知：第一振型模态为X向平动，第二振型模态为Y向平动，第三 振型模态为扭转振型。扭转振型周期与第一平动振型周期之比为0.627， 小于0.9，满足规范相关规定。
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摘要、关键词
【摘要】以都江堰绿地土桥小学教学楼的结 构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计 原理，介绍多层钢结构在8度抗震设防地区的 抗震设计和措施，总结了设计中常见问题的 注意事项。
【关键词】多层钢结构；8度设防；抗震概念 设计；结构体系；设计细节。
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W0＝0.40 kN/㎡
T1＝0.27 s μs＝1.30 CQC耦联
9 0.16
0.90
0.50 0.80
其它计算参数
取值原则
安全等级为二级 《建筑抗震设计规范》
（2008年版）
上海绿地设计
计算结果
3、计算结果及分析
3.1结构的总质量
活载产生的总质量 (t): 101.043 恒载产生的总质量 (t): 1394.673 结构的总质量 (t): 1495.717
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2、主梁与柱连接采用固接：
主梁与柱
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3、主梁与次梁连接采用铰接：
主梁与次梁
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楼板设计
4、楼板设计： 楼板为压型钢板非组合楼板，由于教学楼的 耐火等级为二级，楼板为不燃烧体，耐火极限为 1.0h，如果压型钢板参与结构计算，形成组合楼 板，则须对其进行防火处理，喷涂防火涂料，涂 层厚度1.0㎜，涂料理论用量为：1.6～1.7㎏/㎡， 折合造价为：91元/㎡，压型钢板折合造价为：98 元/㎡，两者差距不大，而且非组合楼板增加安全 系数，缩短施工周期。 建模时，非组合楼板用等效刚度的混凝土楼 板代替。
设计地震分组
第二组 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
特征周期Tg
0.40 s 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
抗震措施
9度
《建筑抗震设计规范》（2008年版）
上海绿地设计
表2 其它计算参数
分类
总 信 息
风 荷 载 信 息
地 震 信 息
规划小学12班，学生540人，新建校舍建筑面积约 4433.5 ㎡，其中：三层（局部四层）综合教学楼3748 ㎡，食堂及生活辅房618㎡，警卫室36㎡，消防水泵房 31.5㎡。运动场包含200米环形塑胶跑道一座。
土桥小学教学楼是上海对口援建项目中唯一一座全 钢结构建筑。
在“5.12”汶川大地震前，都江堰教学楼多数采用砖混结 构和单框架结构，房屋外廊采用悬挑结构，地震中多有损坏。 为了提高结构安全等级，本设计采用钢结构三柱框架体系， 即外廊外沿设柱，增加教学楼的安全储备，使其成为震不垮 的避难之所。
教学楼平面布局为规则长方形，楼板无大洞口削弱；立 面简洁、整齐，有利于抗震。
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屋面设计
5、屋面设计： 本工程屋面大部分为覆彩钢坡屋面，坡 度21.8°。当地学校建筑大多以坡屋面为主， 上铺水泥瓦。在“5.12”地震时，多有屋面 水泥瓦脱落砸伤人员的情况发生。
为解决这一难题，并保留“川西北民居” 风格，本设计屋面采用大片灰色镀锌钢板 (0.5厚），避免了地震中屋面瓦的脱落，同 时减轻屋面自重，有利于抗震。
绪论
一、绪论：
“5.12”汶川大地震给当地人民群众生命财产造 成巨大损失。从受灾情况看，震区建筑大多为砖混 (凝土)建筑，楼板和屋面采用混凝土预制件则是地震 中的最大杀手。砖混结构房屋受压较好，但塑性和韧 性很差。地震时，房屋在地震波上下左右循环反复荷 载作用下，立即发生整体垮塌，人员来不及逃生，这 是这次地震伤亡惨重的最主要原因。
上海绿地设计
食堂
上海绿地设计
Ⅱ类 《都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告》
抗震设防分类
乙类 《建筑工程抗震设防分类标准》
多遇地震下的阻尼比 0.035 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
罕遇地震下的阻尼比 0.050 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
抗震设防烈度
8度
《建筑抗震设计规范》（2008年版）
设计基本地震加速度 0.20g 《建筑抗震设计规范》（2008年版）
因此，在震区重建中，我们必须考虑建筑结构和 材料问题。
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概况
二、都江堰市绿地土桥小学概况：
新建土桥小学位于都江堰市原土桥小学旧校址， 在四川省都江堰市崇义镇土桥乡，该地块东西长约 120m，南北宽约130m，用地面积约15950 ㎡ ，场地 东侧靠近灌温路，交通方便。
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入学仪式
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入学仪式全景
上海绿地设计
综合楼
上海绿地设计
教学楼
上海绿地设计
行政楼
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实验楼
1.2.1 计算模型的建立 取标高－0.500（基础杯口）以上部分作为研究 对象。
2、结构信息：
2.1 抗震设防
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抗震设防信息
表1 抗震设防信息
类别
取值
依据
结构安全等级
二级 《建筑结构可靠度设计统一标准》
设计使用年限
50年 《建筑结构可靠度设计统一标准》
场地土类别
上海绿地设计
鸟瞰图
上海绿地设计
模型信息
三、模型信息：
1、建筑结构布置和选型
1.1 建筑结构布置教学综合楼平面布置整体为U形，由抗 震伸缩缝分为三个独立单体，教学楼（三层钢框架结构）、 行政楼（四层砼框架结构）、试验楼（三层砼框架结构）。
本文所论述的对象是教学楼（三层钢框架结构），上部 结构由抗震缝与相邻建筑脱开，形成独立结构体系，可单独 进行上部结构计算，对抗震有利。
由计算结构可知，最大层间位移角 X方向为:1/314（第一层）， Y方向为:1/427（第一层）， 均小于1/300，满足规范要求。 本结构最大层间位移比， X方向为:1.41， Y方向为:1.17， 均满足规范规定要求小于1.5。
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柱脚
四、设计细节
1、柱脚选用固接。采用插入式柱脚，为增强柱脚锚固，柱子 插入基础杯口部分加焊栓钉。
上海绿地设计
结论
五、结论：
“5.12”汶川大地震灾后重建项目—土桥 小学目前已设计、施工完成，并成功投入使 用。该项目对震后重建中针对8度抗震设防要 求，如何选择结构形式进行了有益的探讨， 并成为钢框架结构在灾后重建中优于混凝土 框架结构的一个很好的点构造详图（01SG519）[M]. 中国建筑标准设计研究所，2001.
[5] 全国民用建筑工程设计技术措施——结构[M]. 北京：中国计划出版社，2003.2.
[6] 刘其祥,蔡益燕,朱知信,顾泰昌.多高层房屋钢结构梁柱刚 性连接节点的抗震设计[J].
建筑结构，2001,(8). [7] 蔡益燕.考虑塑性铰外移的钢框架梁柱连接设计[J].
0.07
3
0.6463
102.15
4
0.3817
179.84
0.37 ( 0.00+0.37 ) 0.93 ( 0.93+0.00 )
0.627 0.07
5
0.3694
177.82
0.01 ( 0.01+0.00 )
0.99
6
0.3473
56.40
0.00 ( 0.00+0.00 )
1.00
7
0.3414
035多遇地震下的阻尼比建筑工程抗震设防分类标准乙类抗震设防分类都江堰市土桥小学场地岩土工程勘察报告类场地土类别建筑结构可靠度设计统一标准50年设计使用年限建筑结构可靠度设计统一标准二级结构安全等级依据取值类别抗震设防信息www
8度抗震区多层钢结构的抗震设计
--绿地土桥小学设计心得
上海绿地建设设计研究院有限公司
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抗震缝
抗震缝
平面图
一层平面图
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立面图
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计算程序
1.2计算程序
本工程上部结构计算采用中国建筑科学研究院编 制的PKPM系列—STS、SATWE多层版建筑结构分析与设 计软件。
3.2 结构动力特性
3.2.1 振型与周期(总刚分析方法)
上海绿地设计
振型分析表
表3 振型分析表（考虑扭转耦联）
振型号 周期
转角
平动系数 (X+Y)
扭转系数
备注
1
1.0313
179.64
1.00 ( 1.00+0.00 )
0.00
2
0.7735
88.85
0.93 ( 0.00+0.93 )
3、从结构自重及对基础的影响比较：土桥小学 教学楼比土桥小学实验楼结构轻50%以上，对抗震更 为有利，基础处理、运输量的成本也会下降。
4、从柱子截面及对建筑空间的影响比较：土桥小 学教学楼比土桥小学实验楼的柱子截面小，增加了约 5%的空间面积。
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参考文献
参考文献:
上海绿地设计
侧移刚度
3.3 各层侧移刚度及层刚度比
从计算结果中看出，X、Y方向本层 侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比 值或上三层平均侧移刚度80%的比值中较 小值为:1.11，各层侧向刚度无突变。
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剪重比
3.4 最小剪重比
在X方向地震力作用下，上部结构底层的剪重 比为:8.52%；
在Y方向地震力作用下，上部结构底层的剪 重比为:10.32%；
抗震规范(5.2.5)条要求的楼层最小剪重比 为:3.20%。
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位移角和位移比
3.5层间位移角和位移比
本结构属于钢框架结构，按照《抗震规范》5.5.1 条要求，故采用1/300的位移角限值来严格控制其抗震 变形。
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结论
1、从用钢量上比较：土桥小学教学楼（钢框架 结构），建筑面积1303㎡，总用钢量137.455t，折合 用钢量105㎏/㎡；同等建设规模的土桥小学实验楼采 用钢筋混凝土框架结构，用钢量为105㎏/㎡。
2、从建设速度比较：土桥小学教学楼比土桥小学 实验楼建设速度要快50%，节省了很多时间成本，全 部工程周期为143天。
设计参数 地震力计算
结构类别 地下室层数 裙房层数 结构重要性系数 修正后的基本风压
结构基本周期
体形系数
振型组合方法 计算振型数 多遇地震水平地震影 响系数最大值 罕遇地震水平地震影 响系数最大值 活荷质量折减系数 周期折减系数
取值 计算X、Y两个方向水平地震力， 不必计算竖向地震力
框架结构 无 0 1.0
建筑结构，2004.(2).
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土桥小学原有大门
上海绿地设计
土桥小学原有建筑
上海绿地设计
土桥小学原有建筑
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土桥小学原有建筑