浅析中小学校的结构抗震设计
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[摘要] 随着我国社会的发展与进步，我国的建筑业也有了不小的进步。完善结构大震设计方法，这是我们面临的重大问题。目前我国缺乏建筑结构大震设计方法和大震性能化设计方法,使得中小学建筑和救灾关键建筑在大震下的抗震性能缺乏保障依据。因此,研究人员可根椐中小学教学楼现有设计特点和经验教训,制定新的规划、设计理念和防震措施,使其具有较高的抗震能力,提高教育工程的质量,避免灾难重蹈覆辙。本文主要通过对5.12汶川地震的分析来探讨中小学校的结构抗震设计。
[关键词]抗震结构设防 设计特性
引言
中小学区域人口密度高,流动量大而且频繁,教学和附属生活设施相应集中。由于各种复杂的因素,由地震灾害及其地震引起次生灾害的可能性和危害性要比其他类型建筑大得多。地震发生后,因医院、学校食堂、救灾指挥中心、通讯枢纽、公共避难建筑等救灾关键建筑在一定程度上的受损,给救灾任务带来较大的阻力,造成严重的生命及财产损失。因此如何完善中小学建筑和救灾关键建筑的规划、设计理念和防震措施,是当代建筑从业人员急需探寻的重要问题。所以，对于中小学校的建筑设计应该注入抗震设计理念。
一、震害原因分析
抗震性能的主要因素有结构类型、设防标准、建造年代及建筑体型、现状质量、所用材料等。不同建筑结构的抗震能力一般从简体、剪力墙、框架、砖混等结构类型依次下降：建筑材料，如混凝土、砂浆的强度等级，钢材的型号以及施工水平等也都对建筑抗震能力具有重要影响。
1.1教学楼结构特性
本次特大地震中倒塌或严重损坏的中小学教学楼一般都为砌体结构。砌体结构是一种脆性结构，其抗拉和抗剪能力均较低。而教学楼多为两道纵墙，多道横墙，另加一外挑走廊。横墙间距为教室的长，纵墙间距为教室的宽，纵墙因采光需要，开洞较多，而且不均匀。在强烈地震作用下，这种砌体结构更易于发生脆性的剪切破坏，从而导致房屋的整体破坏和倒塌。
1.2 抗震构造措施
震区倒塌的教学楼大多还是80年代甚至更早以前的建筑，抗震设防标准低，抗震构造措施严重不足。绝大多数教学楼为砖砌体加预制混凝土楼板结构，圈梁和构造柱设置数量严重不足。在强烈地震作用下，墙体脆性受剪破坏，本身未有多少破坏的预制楼板，因与墙体（圈梁）缺少可靠连接，预制楼板垮塌下来，造成教学楼整体倒塌。
1.3抗震设防烈度
5•12汶川特大地震，震级为M8.0级，震中地震烈度相当于10~11度，已远远超过了抗震设计方面的现行国家规范规定的抗震设防烈度。《建筑设计抗震规范》GB50011-2001[1]中，明确了对各地的抗震设防等级划分。
二、结构抗震新技术的研究和应用
2.1加大结构抗震新技术研究并推广应用随着隔震、消能减震、自复位等高性能抗震减震新技术和高性能材料的研究进展,一些成熟的成果可在中小学建筑和救灾关键建筑进行推广应用,不但能使这些建筑保证在特大地震下的安全性,而且还能尽量减少结构和非结构的损伤,并能在地震后迅速恢复其使用功能,能在震后保障其使用功能,实现可用性。为适应和实现中小学建筑和救灾关键建筑的大震性能目标要求,要采取各种新型结构抗震体系及其相应抗震措施,如中小学建筑的约束砌体结构和钢筋混凝土框架填充墙结构,以及各种高性能低损伤新材料的应用,保证大震下的安全性。例如基础隔震这种新型防震技术是目前较为成熟的一种结构抗震方法。
通过在上部结构与基础之间安装隔震层,地震时震层出现较大的集中变形,从而降低了上部结构加速度、速度和位移,使结构免遭破坏。近些年来基础隔震技术不论在理论研究还是设计等方面都有很大的发展。美国、日本、土耳其等国家均有采用基础隔震实施的建筑,经历了高烈度地震考验后,房屋仍完好无损的实例。材料方面例如钢构件,它不仅延性好,且自重小,强度高,钢结构用螺栓和焊接连接的节点整体性、延性均好。
这里建议,建造在高烈度区中小学教学楼宜选择钢框架结构,非承重墙采取相匹配的轻质板材,可大大地减轻建筑物自重,有效地降低地震力,完全能实现“大震不倒”的设防目标。结构抗震新技术的应用和推广能逐步提升我国建筑的抗震防灾能力的技术水平提供示范。
2.2新型结构抗震加固技术对于既有和震损中小学建筑和救灾关键建筑,建筑专业人员应研究震损建筑抗震设防水准、震损砌体、混凝土、木和砖木结构的可修指标、抗震能力计算方法,加固后的抗震能力计算方法,以及相应的可靠有效的抗震加固措施,例如:附加子结构加固、隔震加固、消能加固、纤维增强复合材料(FRP)加固、新性能水泥基材料加固和新型自密实加固混凝土材料、聚合物砂浆等。
三、抗震措施
3.1提高抗震设防分类标准
我国现行的《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223-2004[2]中第6.0.8条规定：“教育建筑中，人数较多的幼儿园、小学的低层教学楼，抗震设防类别应划为乙类。这类房屋采用抗震性能较好的结构类型时，可仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。”按该条文的条文说明，仅把单体建筑学童人数超600人的小学和人数超过200人的幼儿园、房屋层数不超过三层的砖混结构教学楼列为乙类建筑，其余中小学建筑的抗震设防分类仍为丙类。汶川5.12本次特大地震中小学建筑破坏的严重后果，中小学教学楼作为特殊的人员集中场所，应提高该类建筑物的抗震设防分类标准。
3.2抗震验算
3.2.1教学楼因使用功能要求，多采用外廊式单跨体系，该体系抗震性能相对较差。因此，平面结构布置宜规则，立面宜简洁，上下楼层横墙应基本对齐，结构质量中心与刚度中心相一致，避免结构的扭转效应。对于复杂形体的教学楼，应设置防震缝，以形成较规则的独立结构单元。
3.2.2教学楼的总层数与高度不能超过《建筑设计抗震规范》中第7.1.2条规定。抗震设防烈度为6度时，总高度不能超过18m，层数不能超过六层；抗震设防烈度为7度时，总高度不能超过15m，层数不能超过五层；抗震设防烈度为8度时，总高度不能超过12m，层数不能超过四层。抗震横墙的间距不能超过《建筑设计抗震规范》中第7.1.5条规定。
3.2.3教学楼抗震计算，可采用底部剪力法，可只选择从属面积较大或竖向应力较小的墙段进行截面抗震承载力验算。墙段的地震剪力按墙段的层间等效侧向刚度进行分配。支撑大梁的墙肢还应进行竖向承载力和局部受压承载力验算。
3.3抗震构造措施
3.3.1砌体结构是一种脆性结构，应设置适当数量的圈梁和构造柱，增加砌体结构的延性，提高抗震性能。构造柱应严格按照《建筑设计抗震规范》中的7.3.1条设置构造柱。当外纵墙洞口宽度大于2m时，洞口两侧应增设构造柱；女儿墙内应按间隔不大于2m设置构造柱。圈梁应每层设置，并且闭合，圈梁高度应不小于180mm。本次特大地震中，窗下墙多出现十字交叉剪切裂缝，外纵墙窗台部位应增设通长圈梁，圈梁高度宜为120mm，增强窗下墙体的抗剪强度。
3.3.2楼、屋盖结构是各片抗侧力结构间传递水平力的主要构件，通常作刚性楼面假定进行结构简化计算。因此选择正确的楼、屋盖结构，保证楼屋面的整体性、连续性和平面刚度，是保证结构设计计算正确合理的重要措施。楼、屋盖结构应采用钢筋混凝土现浇板结构，增强教学楼的平面刚度。除走廊现浇板外，现浇板的厚度不应小于110mm，不宜小于120mm。
3.3.3每间教室大多为二或三开间，两开间交界设横梁，横梁支承在纵向窗间墙上。窗间墙原本就很薄弱，却要承受由横梁传来的集中荷载以及由此荷载引起的地震作用。虽然在窗间墙部位设置了砖壁柱，但砖壁柱与翼墙仍为脆性构件。本次特大地震中，一、二层砖壁柱与翼墙大多出现十字交叉剪切裂缝。砖壁柱应设计成组合砖砌体，并且在砖壁柱与翼墙间，每间隔5皮砖，设两根通长拉接筋。
3.3.4砌体结构房屋的抗震能力与墙体横截面积及砂浆强度等级高低成正比，提高墙体面积、砂浆强度等级能有效地提高房屋的抗震能力。教学楼外纵墙的开洞率不宜大于50%，不应大于60%。教学楼底部一、二层承受的地震作用力较大，是薄弱层，本次特大地震中，教学楼外纵墙在一、二层部位受剪破坏尤为严重。因此外纵墙在一、二层部位选用370mm厚Mu10砖砌筑M10混合砂浆墙体，能增强一、二层结构的抗剪承载力，从而提高结构整体抗震能力。
3.3.5走廊栏板是教学楼的关键安全构件。本次地震中，走廊栏板多处出现整体垮塌。走廊栏板应优先采用现浇钢筋混凝土栏板。当采用120厚砖墙栏板时，应每开间设置混凝土构造柱，构造柱断面应不小于240x240，栏板顶部应设置钢筋混凝土压顶，构造柱钢筋应锚固于压顶，120厚砖墙应每间隔5皮砖，设两根通长拉接筋，钢筋锚固于构造柱。
3.3.6教学楼楼梯间不应设置在端开间，当建筑要求楼梯间必须设在端开间时，楼梯间除在楼层设置圈梁外，在半跑的楼梯平台处还应设钢筋混凝土圈梁，在楼梯间四角和平台梁处均应设置构造柱。突出屋顶的楼梯间，构造柱应伸到顶部，与顶部圈梁连接。
结束语
随着社会的发展和进步，我们相信通过优化中小学建筑和救灾关键建筑的大震和特大地震下的抗震设计,以实现不同需求的“大震可用”为目标的中小学建筑和救灾关键建筑的先进结构体系、新型减震建筑技术应用和高性能减震与抗震材料的推广应用,提出将先进体系、技术、材料与科学普及集成融合为一体的中小学建筑设计理念,普及抗震防灾意识,中小学建筑和救灾关键建筑不仅能达到预期的抗震设防目标,而且在遭受罕遇地震时有可能达到“大震可用”的高水准,成为安全的抗震避难所。
参考文献
[1] 徐正忠，王亚勇，王迪民等.GB 5001I一2001建筑抗震设计规范 [S].
[2] 王亚勇，戴国莹，王惠平等.GB 50223-2004建筑工程抗震设防分类标准[S].
[3] 任同瑞.多层砌体结构房屋外纵墙抗震的研究[J].建筑结构，1997-02.
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