浅谈教学楼抗震设计

摘要:汶川地震后,为中小学生建造一所抗震的校舍已迫在眉睫。从现有校舍中存在的问题开始,提出了如何解决校舍设计通用化、填充墙不到顶、强梁弱柱、强弯抗剪等问题。并提出了如何从整体上提高校舍的抗倒塌能力。

关键词:强柱弱梁;强剪抗弯;鲁棒性;整体稳定性;整体牢固性

中图分类号:G48文献标志码:A文章编号:1673-291X(2010)27-0261-02

一、校舍建设中存在的问题及解决方案

1.建设等级过低。《建筑抗震设计规范GB50011-2001》中,划分了各地区的抗震设计标准,还根据建筑功能划分为甲乙丙丁四个等级。但中小学教学楼也只是乙等级别。我们不难看出校舍的设防要求太过低了。中小学生是生命的花朵,是祖国的未来。在校舍防震方面,日本做得较好。日本防震有一个基本原则,就是“学校是第一避难所”,所有的房子都可以倒,学校的房子不能倒。日本的学校是防灾的中心,是市民在遭遇灾害时最放心的躲避场所。中国也应该提高学校的抗震设防标准,并对现有的陈旧建筑物进行加固!

2.校舍建筑缺乏资金投入,造成工程质量不合格。随着九年教育义务的普及,地方政府不得不在有限的校舍建设资金下扩建更多的校舍,而降低了校舍的质量。在校舍建筑过程中,建筑商为了获得更多的利润,忽视工程质量,一方面缩短建设工期,另一方面在施工中采用低质材料进行建设。为了给孩子们建设一所抗震的学校,政府应加大学建设经费的投入,同时严惩!

3.校舍招标过程中执法不到位。《中华人民共和国防震减灾法》、《中小学建筑设计规范》、《建设部、教育部关于进一步加强中小学建设工程质量管理工作的通知》等政策法规都明文规定了中小学校舍建设的设计规范与质量标准。然而由于不法承包与层层转包等使校舍施工队伍鱼龙混杂。为了杜绝豆腐渣工程,应严格规定中小学施工准入制度,不准无资质的“桥头部队”承接工程,严禁有照单位有资质单位承接工程后层层转包,层层盘剥建设资金。造成最后因资金不足而偷工减料制造豆腐渣工程,并在建设中加强工程监理。

4.校舍平面设计通用化,教学楼墙体高宽比偏大。建筑师在设计中小学教学楼时比较偏向于选择通用化、模式化的柱网布置建筑平面格局和房间分隔,这容易忽略校舍建筑结构的整体优化,致使抗震薄弱位置更为凸出。设计中为了增大采光,教室的开间大,横隔墙少,门窗占用面积大,致使墙体高宽偏大。房屋高宽比大,地震产生的倾覆力巨大,在结构底部构建中产生的压力或拉力较大,导致上部结构产生较大的侧移,影响结构整体稳定。建议在设计时应根据实际情况调整教室平面形状,减小开间,增大进深,对符合较大的外廊应根据当地抗震等级悬着高一级别的外廊形式。

5.填充墙的震害。教学楼多为框架结构,构架结构中常采用砌体作为填充墙,用于分割室内空间和起维护作用。由于气体抗剪强度及抗拉强度低,变形能力差,相对刚度较大,所以,在水平地震作用下砌体易产生倾斜裂缝和水平裂缝。若于梁柱之间无可靠连接,将导致砌体外闪倒塌,威胁人身和财产安全。另外,若砌体与梁柱之间连接不当,可能使柱变为短柱,导致柱发生脆性剪切皮坏,对结构也是非常不利的!框架结构侧向变形形式是剪切型,即结构下部层间变形大于上部,导致填充墙下重上轻。

建议:(1)填充墙采用轻质填充材料。(2)在平面与竖向布置易均匀对称,避免使结构形成刚度和强度上的突变,导致薄弱层或短柱的形成。(3)墙体与主体结构应有可靠的拉结,应能适应主体不同方向的位移。(4)采用砌体填充时,易于柱脱开或采用柔性连接。

6.强梁弱柱,强弯弱减。根据美国Arizona大学及Michigan大学的研究,认为避免梁柱节点在核心或柱端产生塑性铰,梁柱受弯承载力比(柱承载力之和于梁受承载力之和的比值)不得小于1.4,但对整体结构而言,考虑了直交梁与楼板的作用,则比值不宜小于1.2,计算梁的受弯承载力时,至少应考虑不少于两款范围内半斤的作用。日美合作框剪结构抗震研究认为板的起作用宽度随着梁的变形增加而增加,最终可达到班的全跨。

为了解决强梁弱柱问题,日本学者提出在柱与裙墙交接处预留缝的做法。当梁上面受拉时,梁的弯载承受力可按临界截面计算。当梁下面受拉时,则当梁与柱相对转动达到一定程度时,裙墙将于拉面接触,此时层间位移角为:

R=缝宽/裙墙高度*(梁净距/柱中距)

根据可能达到的层间文艺比R,可以求的必要的缝宽。

为了保证“强剪弱弯”,可以考虑压弯破坏是对铸锻抗剪承载力降低的影响,提出切实可行使用的配筋构造技术。如连续箍筋技术,防止控制端混凝土强度严重退化。

二、从整体上提高系统的抗倒塌能力

从利用结构整体性来讲,提高结构低于灾害的能力并不一定要大幅度提高结构的承载力、安全储备而导致大幅度增加建设成本,恰恰相反,只要深入研究结构系统,合理利用结构的整体性,完全可以通过少量的抗震设计或构造措施(如设置构造柱、圈梁)显著提高结构的抗震性能。

如上图所示:

A为小震不坏点;B为小震设计点;C为大震不倒设计点;D为坍塌点。

(1)AB之间富余程度为结构系统的基本承载力安全储备,其工程意义在于保证结构系统满足正常使用状况下安全和使用性能的要求。(2)BC之间的富余程度为结构系统的整体安全储备。当结构状态超过屈服点B点,接近大震不倒设计点C点时,结构构件之间非线性作用非常强烈,有些构件已经屈服甚至退出工作,因此在此阶段,应重点研究结构整体性、努力提高结构系统的鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性,以保证结构系统的功能。(3)CD之间部分为结构系统的“意外安全储备”,当遇到意外作用(如汶川地震),意外安全储备对保证结构不倒塌具备着决定性作用。而意外安全储备主要主要取决于结构系统的鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性,因此当遇到实际地震强度超过大震设计点时,为了使结构的倒塌临界点D点尽量推迟,应增加结构系统的取决于结构系统的鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性。

三、合理选址

校舍优先选择有利地段,力求避开不利地段,严禁在危险地段建设校舍。

四、结束语

中小学生是祖国的未来,为了确保中小学生的安全,建议设计师在校舍楼时除要秉着“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则外,还可以在每层设计一个避震间,使其不但可以加强全楼的安全强度,而且可以为孩子们提供一个明确的避难场所。另外,中国在校舍建设方面也应该积极引进国外的一些新型结构体系及做法,如:(a)延性抗震框架与非抗震框架的混合使用;(b)复式框筒;(c)钢梁钢筋混凝土,拉架体系;(d)钢板剪力墙等。

参考文献:

[1]胡庆昌.建筑结构抗震设计与研究[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[2]陈国兴,马克俭,汉.工程结构抗震设计原理[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3]建筑结构抗震规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[责任编辑 魏杰]