Construction structure design of a city experimental primary school

Abstract:This paper expounds the structural design points and matters for attention of small teaching buildings, and proposes some reasonable and feasible adjustment methods based on engineering design examples, which has a certain reference value for the structural design of similar teaching buildings.Through the primary and secondary school building actual earthquake analysis, shows that the building concept design is very important, and from the regularity of the building structure, multiple seismic fortification, ductility, integrity and filling wall layout in several aspects, discussed the building seismic concept design, and put forward some empirical Suggestions, make the teaching building structure achieve small shock not bad, shock can be repaired, shock not fall " three levels of seismic fortification target.

Key words: teaching building; primary school teaching building; architectural design; structural design

引言

汶川大地震中，小学教学楼的倒塌触目惊心，众多师生遇难，引起社会强烈反响，分析和总结其倒塌破坏的原因并吸取经验教训，改进和提高小学教学楼抗震设计水平，保证地震中生命和财产安全是结构设计师的责任和使命。笔者对已完成的相似项目进行整理，针对小学教学楼建筑特点，总结设计过程中的注意事项，以供参考讨论。

一、概述

小学教学楼（以下简称教学楼）一般有教室、实验室、音体室、计算机室、活动室、办公室等教学用房，很多方案中设有风雨操场、阶梯教室等大空间教学场所。教学楼建筑平面布置形式有外廊式和内廊式，高度一般为3~4层，多采用框架结构体系，现浇钢筋混凝土楼盖形式。外廊式为双跨布置即大跨教室、小跨走廊（早期多为单跨加悬挑，因结构抗震不利，不宜采用）；内廊式一般以内走廊或回形（中空）走廊连通两侧教室，外廊形式采光、通风性能较好，但其抗震性能不如内廊式多跨结构体系。

二、结构抗震设计要点

结构抗震设计应注重“建筑抗震概念设计”，着眼于提高建筑物的总体抗震能力，从总体平立面布置到细部薄弱部位加强，从理解设计规范要求到正确分析计算结果，合理选择建筑结构体系，加强抗侧力构件的延性设计，以达到《建筑抗震设计规范》（GB50011- 2010）中建筑基本的抗震设防目标要求，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。值得一提的是，地震发生具有随机性、不确定性及复杂性特点，实际地震烈度往往高于设防烈度，而目前的建筑抗震设计理论还不够严谨，所以不能过分的相信和依赖计算机软件，不能认为只要计算结果满足规范的限值要求设计就算成功。结构设计师必须正确判断计算结果的可靠性，切实贯彻“建筑抗震概念设计”理念，遵循相关规则，严格执行我国现行抗震规范的要求和规定，才能实现其抗震设防目标，保障地震中生命和财产安全。

教学楼同其它类建筑相比人员密度高、活动频繁、流动量大，且小学学生自救能力比较差，一旦遭遇地震灾害，会引起较大的人员伤亡和社会影响；其次，建筑师往往贯彻开发商意愿，追求建筑的新颖与奇特，设计出不利于抗震的建筑平立面及屋面飘架造型，因此，在教学楼设计过程中以下几方面需特别注意：

1. 抗震缝设置

结构专业应尽早介入配合建筑方案，根据体型复杂程度、平立面不规则特点，在适当地方设置防震缝，或者提出合理化建议，在满足建筑功能要求前提下，改善平立面规则性、整体性指标。

2. 平面布置

教学楼中阶梯教室、风雨操场、图书资料阅览室等教学场所有别于普通教室，表现在空间分隔、净高要求不同，荷载差异较大，各功能房间如随意布置会造成建筑物沿高度质量和刚度的分布不均匀，在刚度差的楼层形成抗震薄弱层，对抗震不利，所以在同一抗震单元内房间使用功能尽量相同，每层的建筑平面布置相似，避免错层、转换等复杂结构形式，建筑物沿竖向刚度做到均匀和等强，有利于建筑抗震。教学楼平面布置还应避免设置长悬挑构件及楼板大范围开洞等抗震不利方案，框架柱间不应布置通窗，以免地震作用下框架柱形成短柱剪切破坏。

3. 场地及基础形式

教学楼应避开具有危险的场地，如活动的断层带及可能发生山崩、滑坡、地陷等地质灾害地段，也不易选在软土、液化土、故河道、河湖岸边等不良场地，以防地震作用时地表下沉或隆起，上部建筑不均匀沉降和倾斜，教学楼应该选择抗震有利地基，如基岩、坚硬土及开阔平坦、均匀密实的中硬土场地。当无法避开抗震不利场地时，应选择筏形基础、桩基础等抗震性能较好的基础形式。

4. 设防类别及抗震等级

按照现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223- 2008）的要求，小学教学楼为重点设防类建筑，简称乙类建筑，需提高抗震措施而不提高地震作用，因此建筑抗震等级和抗震构造措施均应按高于本地区设防类度确定。

5. 结构构件

小学校主要教学用房均有净高要求，在层高一定的情况下，注意梁高是否影响房间净高，另外，柱网、梁格应尽量均匀一致，保证整齐、规矩的视觉感受。±0.000处可设置整体梁、板（回填土应先夯实至板底标高），造价虽然有所增加，但降低了底层计算高度，有利于抗震，也防止因不均匀沉降引起地面裂缝。楼梯间四角设置框架柱加强，并计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，进行楼梯构件的抗震承载力验算，并严格按照平法图集11G101-2要求设置截面配筋。

6. 抗震计算

教学楼抗震设计应按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）要求进行，严格控制周期比、位移比、剪重比、轴压比等重要参数，避免出现薄弱层、承载力突变及刚心与质心偏差过大等抗震不利因素。框架结构应采用“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点，强锚固”的设计方法，改善其延性，以期望地震时达到“裂而不倒”的目的。

7. 抗震构造措施

教学楼抗震设计应重视非结构构件与结构构件的可靠连接，如走廊栏板、雨篷板、挑檐、女儿墙等可采用钢筋混凝土结构，以防止在地震中脱落伤及人员。填充墙内拉筋通长设置，楼梯间和人流通道的填充墙，采用钢丝网砂浆面层加强措施。

三、工程实例

1. 工程概况

该小学教学楼平面，分为四个平面规则的抗震单元，共4层（Ⅲ单元斜线填充部分为1层，Ⅳ单元交线填充部分为3层），层高3.6米，均为框架结构体系，其中Ⅰ单元具有教学楼典型特征，计算调整过程具有一定的代表性。

2. 模型及参数

工程采用PKPM结构系列（2010版）SATWE计算程序进行分析，初步框架柱截面为500×500mm，框架梁截面为300×700mm（考虑外立面窗高），次梁截面250×500mm，主要楼板厚度120mm。

3. 分析结果及模型调整

初步计算结果显示，其扭转第一自振周期与平动第一自振周期（Y向）的比值＞0.9，部分框架柱轴压比＞0.75，无抗震薄弱层及承载力突变，其它指标未见异常。分析计算结果及平面布置，需减小Y向刚度，增大两侧抗扭刚度，将④轴上及外走廊位置框架梁截面减小至250×500mm，将①轴、⑥轴上~轴间梁高加大至800mm；轴压比较大框架柱二层以下截面改为500×600mm，经重新计算，各项指标满足规范要求。

四、结论

教学楼设计过程中，建筑、结构及设备专业应密切配合，依据建筑抗震概念设计理念，严格遵循国家现行规范、规定，充分考虑设计、施工、使用等各方面因素，才能完成建筑功能优化，结构安全的设计目标。我们还需不断研究和开发应用高效的抗震措施，要让小学建筑成为当地最安全的抗震避难场所。

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