中小学校建筑抗震设计中存在的主要问题分析

中小学校建筑抗震设计中存在的主要问题分析
黄海丹
【摘要】总结了中小学校建筑抗震设计中存在的主要问题,对抗震设防标准、结构体系、建筑形体、结构计算模型的选用与确定,以及单跨框架、楼梯间的设计等方面存在的问题进行了分析,提出了合理的设计方法,以确保学校建筑质量和学生人身安全。

%The paper sums up some main problems in the seismic design of primary and middle schools, analyzes some problems from the seismic fortification standards, the structural system, the architectural shapes, the selection and identification of the structural calculating models, and the design for single-span frame and staircases, and points out some reasonable design methods, so as to ensure the architectural quality of schools and the safety of students.
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2012(038)023
【总页数】2页(P40-41)
【关键词】中小学校;抗震设计;设防标准;结构体系;计算模型;单跨框架
【作者】黄海丹
【作者单位】上海市浦东新区建设工程设计文件审查事务中心,上海201204【正文语种】中文
【中图分类】TU352.11
0 引言
在我国，抗震设计一直是结构设计的重点，中小学校建筑抗震设计面对的是一群自我防御能力和逃生能力都较差的未成年人，因此，此类建筑的抗震设计更加重要。

随着经济的发展，我国的防震减灾法强调，对学校等人员密集、一旦发生地震将造成大量人员伤亡的建设工程，其抗震设防标准应高于当地房屋建筑的抗震设防要求，确保抵御地震灾害的能力。

为使学校成为最安全、最有保障的地方，还应加强其综合防灾能力，即当地震作用外的自然灾害发生时，比如山体滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、洪水、台风、火灾、雷击等，中小学校建筑能兼做临时避难场所，这就要求在设计时应考虑更高的安全储备。

但是，目前中小学校建筑抗震设计中仍然存在以下影响结构安全和耐久性的主要问题。

1 抗震设防标准低于规范要求
为在地震灾害发生时特别加强对未成年人的保护，GB 50223-2008建筑工程抗震设防分类标准对第6．0．8条作出修订，扩大了教育建筑中提高设防标准的范围，明确幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂，抗震设防类别应不低于重点设防类(乙类)。

此处的“教学用房”指所有幼儿园、小学和中学(包括普通中
小学和有未成年人的各类初级、中级学校)的教学用房(包括教室、实验室、图书室、微机室、语音室、体育馆、礼堂)。

根据GB 50223-2008第3．0．3条规定，与
标准设防类相比，重点设防类建筑需按比本地区抗震设防烈度提高1度的要求加
强抗震措施，即提高了地震作用效应(内力)调整系数和加强了抗震构造措施等。

因此，在中小学校建筑抗震设计中，建筑师和结构工程师应及时更新设计依据，采用现行最新标准规范和相应的计算软件，按符合规范规定的抗震设防要求进行设计。

采用已废止的标准规范或旧版设计软件，均会使抗震设防标准低于现行规范要求。

同时，规范对于设防要求的规定是最低要求，在经济发达或条件允许的地区，抗震
设防标准还应适当提高。

2 采用不合理的结构体系
我国目前现存的中小学校教学楼，层数一般为1层～6层，层高一般大于3．5 m，教室一般长约9 m～10 m，宽约6 m～7 m，在城市通常采用混凝土框架结构，
在广大农村则多采用砌体结构。

但现行抗震设计规范对砌体结构房屋的层数和总高度是进行严格控制的，特别是横墙较少或很少的多层砌体房屋(学校教学楼多属于
这类)，控制更加严格，同时规定，多层砌体承重房屋的层高，不应超过3．6 m。

GB 50099-2011中小学校设计规范第7．2．1条对中小学校的教室净高作了明确规定，小学、初中、高中教室净高最低分别不应小于 3．00 m，3．05 m，3．10 m，舞蹈教室净高不应小于4．50 m。

教室净高再加上梁高，层高一般均
超过3．6 m，已不再适合采用砌体结构。

因此，新建教学楼应根据抗震概念设计的要求，采用体系合理、具有多道抗震防线的结构体系，如框架结构或框架—剪
力墙结构。

当不得不采用砌体墙承重结构体系时，应严格执行抗震规范对层数、总高度、层高、横墙间距等的规定，采用现浇钢筋混凝土楼、屋盖，按要求设置钢筋混凝土圈梁和构造柱，保证砌体和砂浆强度等级以及施工质量，薄弱部位还应加强抗震构造措施，确保结构安全。

对于体育馆、礼堂等大空间结构房屋，应注意屋面结构形式，当采用混凝土屋面板时会形成质量较大的厚重刚性体系，地震时水平惯性力较大，从而引起屋面垮塌，甚至造成人员伤亡。

所以，对于这类房屋，应采用钢结构屋架和轻型屋面，能有效减少地震惯性力，增强结构抗震性能。

3 采用特别不规则的建筑形体
合理的建筑形体和结构布置是抗震设计中最重要的部分。

学校建筑的平面、立面和竖向剖面应尽可能规则、简单，避免采用特别不规则的建筑形体。

当受采光、日照或场地等限制，建筑平面不得不采用“E”形、“凹”形、“回”形和“日”形等
不规则形状时，如在适当部位设置防震缝，宜使其形成多个相对较规则的抗侧力结构单元。

且防震缝的位置应仔细斟酌，既不打断建筑使用功能的连续性，又使设缝后的结构单元尽可能的规则，如多功能教室、阶梯教室和音乐教室等通常为普通教室的一层半或两层高，与普通教室设在一个结构单元，会导致结构平面横向或纵向楼板局部不连续，平面特别不规则，此时可将此类教室单独设为一个结构单元。

防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构单元的高度和高差，以及可能的地震扭转效应情况，留有足够的宽度，使两侧的结构单元在预期的地震(如中震)作用下不发生碰撞或减轻碰撞引起的局部损坏。

如不设置防震缝，则应对平面形状和结构布置作适当调整，控制平面和立面的不规则程度，无法调整且判定为特别不规则建筑结构方案时，应按规定进行抗震设防专项论证。

利用计算机进行抗震分析时，结构在地震作用下的内力与移位计算，一般可采用刚性楼板假定;但进行截面设计和承载力验算时，应采用弹性楼板或局部弹性楼板进行补充计算。

4 结构计算模型与实际工作状况不符
中小学校里一般均配置体育馆(或风雨操场)，此类建筑由于使用功能上的需要，层高与普通教室不同，比较常见的设计是首层为食堂、2层为体育馆，2层半层高的地方设置局部夹层(作为管理用房或工具间等)或者维修走廊(通常为悬挑结构)，当夹层面积很小(通常认为小于该标高楼层面积的30%)，用计算机建模进行抗震分析时，夹层若作为一个结构计算层，则与结构的实际工作状况不符，特别是设置维修走廊的情况。

此时，可将夹层或维修走廊按荷载输入上层进行整体抗震分析，局部梁柱配筋再另行复核;当夹层面积大于该标高楼层面积的30%时，应按夹层作为一个结构计算层和将夹层按荷载输入上层进行计算两者的不利者进行抗震分析和包络设计。

此外，坡屋顶应根据其结构形式、受力特点进行合理的简化分析，或采用合适的空间计算程序进行有限元分析，而不应都简单地简化为平屋顶(层高取坡屋顶最高处
高度的一半)进行计算分析。

5 采用单跨框架结构
单跨框架结构体系不具有多道抗震防线，在地震中会由于局部屈服而引起结构整体倒塌，不符合建筑抗震概念设计的要求。

抗震设计规范第6．1．5条和第8．1．5条分别对单跨混凝土框架结构和单跨钢框架结构作出限定，甲、乙类建筑以及高度大于24 m的丙类建筑，不应采用单跨(混凝土)框架结构;甲、乙类建筑和高层的丙类建筑不应采用单跨(钢)框架结构。

中小学校建筑的教学用房抗震设防类别均不低于乙类(重点设防类)，因此，学校建筑不应采用单跨框架结构体系，如单跨混凝土框架的教学楼(带悬挑外廊)、单跨连廊(混凝土结构或钢结构)等。

应该说明的是，框架结构中某个主轴方向均为单跨，属于单跨框架结构，某个主轴方向有局部的单跨框架，可以不作为单跨框架结构对待，但应加强其抗震措施，如提高抗震等级等。

在一般情况下，当按建筑方案布置框架柱时，应采取措施避免形成单跨的框架结构，可在某些轴线增设框架柱或将部分隔墙改成抗震墙体等。

对于框架—抗震墙结构，可以有某些轴线是单跨的框架，但其抗震墙应双向布置。

抗震分析时，可按框架结构(不计入抗震墙)和框架—抗震墙结构两种模型计算结果的不利者进行设计。

6 楼梯间布置不合理或计算中未考虑楼梯构件的影响
楼梯间作为突发事件的应急疏散安全通道，应采取一系列综合抗震对策，确保其地震安全性。

楼梯自身的刚度对结构地震作用和地震反应有着较大的影响，混凝土框架结构的楼梯间布置不应导致结构平面特别不规则，当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时，应考虑楼梯对地震作用及其效应的影响，并应对楼梯构件进行抗震承载力验算。

考虑到楼梯的梯板在地震中具有斜撑的受力状态，从结构其他部位损坏轻微而梯板严重破坏甚至钢筋断裂的震害，可以看到在强烈地震中，梯板承受很大的拉、压、弯和剪切应力，对结构刚度和承载力的影响较大，应参与抗震计算;当
采取措施使楼梯构件与框架构件脱开时，楼梯构件对结构刚度和内力的影响较小，可不参与整体抗震计算。

此外，震害调查中发现框架结构中的楼梯板破坏严重，被拉断的情况非常普遍，设计中需注意加强构造措施并宜采用双层配筋。

楼梯间的非承重墙体，应与主体结构有可靠的连接或锚固。

砌体结构楼梯间的墙体缺少各层楼板的侧向支承，有时还因为楼梯踏步削弱楼梯间的墙体，尤其是楼梯间顶层，墙体有一层半楼层的高度，震害加重。

因此，在建筑布置时楼梯间应尽量不设在尽端，或对尽端开间采取专门的加强措施。

7 其他
中小学校建筑抗震设计中还存在设计者过分依赖或相信结构计算软件、对计算结果不进行合理性分析的情况，如混凝土框架结构教学楼，PKPM计算结果为首层的
侧向刚度小于2层的70%或小于2层～4层侧向刚度平均值的80%时(主要原因为首层计算层高较大)，比较合理的措施应是加大首层抗侧力构件的截面尺寸，而非
提高首层混凝土的强度等级(虽然此措施也能使计算结果满足规范要求，但学校建
筑的混凝土体量较小，改变混凝土强度等级会给施工带来不便)。

此外，当框架结构的梁柱中心线偏心距大于相应方向柱宽的1/4时，在计算中应
考虑偏心对梁柱节点核心区受力和构造的不利影响，以及梁荷载对柱子的偏心影响，进行具体分析并采取有效措施，如采用水平加腋梁及加强柱的箍筋等;设置水平加
腋后，仍须考虑梁柱偏心的不利影响。

8 结语
中小学校建筑在使用功能和建筑设计方面具有共同点，通过对抗震设计中存在的问题进行归纳总结和分析，对今后同类工程的设计具有指导意义。

应根据抗震概念设计的要求，按不低于重点设防类(乙类)标准进行抗震设防，采用合理的结构体系、规则的建筑形体，建立与结构实际工作状况相符的计算模型进行抗震分析，对计算机的计算结果应进行分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计，不断提高中
小学校建筑质量，确保学生人身财产安全。

参考文献:
【相关文献】
[1] 中华人民共和国主席令第七号，中华人民共和国防震减灾法[S］．
[2] GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S］．
[3] 徐有邻．汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思[M］．北京:中国建筑工业出版社，2009．
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[7] 刘军，潘延平．建筑工程勘察设计质量通病控制手册[M］．上海:同济大学出版社，2007．。