浅谈教学楼建设中的抗震性考虑

2022-11-24

教学楼建筑一般在采光、通风方面会有较高的要求, 房屋也会有较大的跨度、因此常见的学校平面布置形式以内廊式和外廊式为主。内廊式是以内走廊为界限, 左右两侧各设置两排教室, 建筑物横向一般至少布置3～4排框架柱列, 从而形成两跨或多跨结构体系;外廊式以单跨框架加单侧悬挑走廊较为普遍, 建筑物横向一般只布置双排框架柱列, 从而形成单跨结构体系。从建筑功能角度讲, 外廊式单跨结构体系采光、通风性能较好, 在工程设计中被经常采用。但是单跨结构体系抗震性能显然不如两跨或多跨结构体系。汶川大地震的调研结果显示单跨结构体系的教学楼在大地震中的破坏相当严重, 有相当一部分的教学楼甚至整体倒塌。外廊式教学楼虽然有先天抗震条件不足, 但是可以通过以下的方法还是可以尽量弥补的:外廊不做悬挑设计, 而是在端部增设一排框架柱, 在保证建筑使用功能的同时提高了结构的整体抗震性能。另外, 外廊的宽度在规范规定的最低要求的基础上可以适当放宽, 发生紧急情况时也有利于学生尽快疏散。这些措施的弊端就是增加了工程的造价, 外廊端部增设的一排落地的框架柱在一定程度上对建筑立面产生影响, 但是这些问题和结构抗震安全比起来还是微不足道的。

1 教学楼震害特征

根据对汶川地震的震害经验总结, 多层砖房的主要震害特征可概括为以下几点。

(1) 墙体的破坏。

(2) 窗间墙墙垛的破坏。

(3) 纵横墙的连接破坏。

(4) 墙体刚度变化和应力集中的部位易破坏和倒塌。

(5) 楼梯间破坏和预制板塌落。破坏的主要原因:结构抗震体系单薄, 砖墙的抗剪强度不足, 结构体系和构造布置存在缺陷, 内外墙之间及楼板与砖墙之间未拉结, 也有的未设置圈梁构造柱, 房屋的整体抗震能力差。在地震作用下, 一般为剪切破坏, 多呈交叉性裂缝或斜裂缝, 楼梯间设置在房屋端部时的破坏强于设置在中部。

2 多层教学楼抗震能力的考虑

2.1 设置钢筋混凝土构造柱和圈梁, 加强对砌体墙体的约束

从大量的震害经验, 我国提出了设置构造柱及圈梁提高砌体结构抗震性能的方法, 构造柱及圈梁主要通过对开裂墙体的约束提离砌体结构的抗倒塌能力圈梁可以加强内外墙的连接, 对装配式楼盖在水平面内进行约束, 提高楼盖水平刚度, 提高结构整体性, 抵御地基的不均匀沉降等, 对于抵抗均匀沉降尤其以基础顶部和檐口处圈梁作用最为有效。当房屋中部沉降较两端大时, 位于基础顶面部位的圈梁作用较大当房屋两端沉降较中部大时, 则位于檐口部位的圈梁作最大。

布置圈梁时应严格按照现行建筑抗震设汁规范要求进行布置, 一般应在每层层高处设置圈梁, 并按照抗震规范控制圈梁截面的最小高度和最小配筋量;值得注意的是, 圈梁的截面和配筋也不宜过大, 通常按照规范规定的数值或提高一个等级采用即可。

构造柱的设置能够使房屋有较大的延性, 由于构造柱对墙段的约束作用使墙体的变形能力有较大幅度的增加, 减小了墙体突然倒塌的危险, 这也是构造柱的主要作用。实验证明, 当墙段宽高比超过2时, 构造柱的约束作用将降低, 因此按照规范限制构造柱的最大间距十分必要;抗震规范中明确规定了构造柱的距;当房屋层数和高度接近限值时, 横墙内的构造柱间距不宜>2倍层高。按设计规范普通楼层高宜为2.8m, 故横墙构造柱间距不宜>5.6m;外纵墙构造柱间距不宜>3.9m, 内纵墙构造柱间距不宜>4.2m。对抗震设防为8度的地区基本为每开间均设构造柱, 即为规范规定的内外墙交接处。其次, 实践证明两端设置构造柱的墙段其抗剪能力可提高20%左右, 因此在房屋抗震设防烈度较高、墙段抗剪承载力不足时可采取增设构造柱的方法来提高墙段抗剪强度。在教学楼建筑中一些管井处的墙段和一些内墙的局部较小墙垛常常不能满足抗震承载力要求, 可采取上述办法解决。另外构造柱和圈梁协同工作, 增强了结构的整体性, 增加了结构的延性。

2.2 加强楼盖结构的整体刚度和承载能力

虽然现行规范对楼房结构平面凹进凸出以平面上的转角尺寸有所规定, 但是由于建筑里面造型、户内功能要求以及采光通风等要求, 有时处理得非常复杂。这种情况下, 虽然有构造柱和圈梁对砌体进行约束, 但结构整体性仍难保证, 也不可能有好的抗震性能。

综上所述, 建议砌体教学楼结构楼屋盖均应优先采用现浇钢筋混凝土结构, 如果采用预制装配楼屋盖, 应在板顶现浇钢筋混凝土叠合层, 并适当拉大板与板之间的间距, 其内配置钢筋使其与叠合层连为一体。这样, 不仅可以提高结构的整体性, 提高楼屋盖结构的刚度, 协调结构各部分在水平地震作用下的变形, 还可以从根本上解决大震作用下铺板散落的不良后果。

2.3 楼梯间的抗震构造要求

楼梯间的横墙, 由于楼梯踏步板的斜撑作用而引起较大的水平地震作用, 破坏程度常比其他横墙稍重一些。横墙与纵墙相接处的内墙阳角, 如同外墙阳角一样, 纵横墙因两个方向地面运动的作用都出现斜向裂缝。另外, 楼梯踏步斜板因钢筋深入休息平台, 梁内的长度很短, 而在相接处拉裂或拉断。为了保证楼梯间在地震时能作为安全疏散通道, 《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001) 提出了抗震设计时楼梯间四角, 以及不规则平面的外墙对应转角处设置构造柱的要求, 楼梯段上、下端对应墙体外增加四根构造柱, 与在楼梯问四角设置的构造柱合计共有八根构造柱可构成楼梯问应急疏散安全岛。

总之, 多层教学楼可以通过建筑上的合理布局, 结构上的构造措施等多种方法来弥补结构脆性材料在抗震方面的不足, 从而满足抗震要求, 在抗震设计时体现以预防为主的设计思想, 达到“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的设防目标, 从而有效避免在地震发生过程中所造成的巨大人身伤亡和财产损失。

摘要：汶川大地震造成了大量中小学教学楼的倒塌, 震害造成的主要原因是地震烈度强, 但一些教学楼设计标准低、抗震能力差也是个重要原因, 本文在分析汶川震害的基础上, 提出了一些提供提高教学楼抗震力的措施。

关键词：教学楼,抗震性,建筑设计