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從５?１２汶川特大地震談中小學教學樓抗震設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]

    摘 要: 通過對5?12汶川特大地震中中小學教學樓受損情況的實地考察，從結構設計專業角度分析了教學樓大量損壞、倒塌的原因，提出了應在抗震設防分類標準、平面布置、結構選型及抗震構造措施等方面加強中小學教學樓的結構抗震設計，以對中小學教學樓結構設計提供參考。
    　　關鍵詞: 地震； 中小學教學樓； 砌體結構； 抗震設防； 構造措施
    　　
    　　1前言
    　　
    　　5?12汶川特大地震，國人心中永遠的痛！地震造成許多砌體結構的中小學教學樓（以下簡稱教學樓）倒塌，眾多學生遇難，未倒塌的教學樓也都受到了不同程度的破壞，震中60%以上的教學樓成了危房，需要拆除重建。
    　　
    　　2震害原因分析
    　　
    　　2.1 抗震設防烈度
    　　5?12汶川特大地震，震級為M8.0級，震中地震烈度相當于10~11度，已遠遠超過了抗震設計方面的現行國家規范規定的抗震設防烈度?！督ㄖO計抗震規范》GB50011-2001[1]中，明確了對各地的抗震設防等級劃分。本次特大地震主震區，如茂縣、汶川、北川最高抗震設防烈度只為7度，而綿陽、廣元抗震設防烈度只為6度。
    　　2.2教學樓結構特性
    　　本次特大地震中倒塌或嚴重損壞的中小學教學樓一般都為砌體結構。砌體結構是一種脆性結構，其抗拉和抗剪能力均較低。而教學樓多為兩道縱墻，多道橫墻，另加一外挑走廊。橫墻間距為教室的長，縱墻間距為教室的寬，縱墻因采光需要，開洞較多，而且不均勻，如圖1。在強烈地震作用下，這種砌體結構更易于發生脆性的剪切破壞，從而導致房屋的整體破壞和倒塌。






    2.3 抗震構造措施
    　　震區倒塌的教學樓大多還是80年代甚至更早以前的建筑，抗震設防標準低，抗震構造措施嚴重不足。絕大多數教學樓為磚砌體加預制混凝土樓板結構，圈梁和構造柱設置數量嚴重不足。在強烈地震作用下，墻體脆性受剪破壞，本身未有多少破壞的預制樓板，因與墻體（圈梁）缺少可靠連接，預制樓板垮塌下來，造成教學樓整體倒塌。

    3應對措施
    　　
    　　3.1提高抗震設防分類標準
    　　我國現行的《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223-2004[2]中第6.0.8條規定：“教育建筑中，人數較多的幼兒園、小學的低層教學樓，抗震設防類別應劃為乙類。這類房屋采用抗震性能較好的結構類型時，可仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震措施?！卑丛摋l文的條文說明，僅把單體建筑學童人數超600人的小學和人數超過200人的幼兒園、房屋層數不超過三層的磚混結構教學樓列為乙類建筑，其余中小學建筑的抗震設防分類仍為丙類。本次特大地震中小學建筑破壞的嚴重后果，中小學教學樓作為特殊的人員集中場所，應提高該類建筑物的抗震設防分類標準。
    　　3.2抗震驗算
    　　3.2.1教學樓因使用功能要求，多采用外廊式單跨體系，該體系抗震性能相對較差。因此，平面結構布置宜規則，立面宜簡潔，上下樓層橫墻應基本對齊，結構質量中心與剛度中心相一致，避免結構的扭轉效應。對于復雜形體的教學樓，應設置防震縫，以形成較規則的獨立結構單元。
    　　3.2.2教學樓的總層數與高度不能超過《建筑設計抗震規范》中第7.1.2條規定。抗震設防烈度為6度時，總高度不能超過18m，層數不能超過六層；抗震設防烈度為7度時，總高度不能超過15m，層數不能超過五層；抗震設防烈度為8度時，總高度不能超過12m，層數不能超過四層?？拐饳M墻的間距不能超過《建筑設計抗震規范》中第7.1.5條規定。
    　　3.2.3教學樓抗震計算，可采用底部剪力法，可只選擇從屬面積較大或豎向應力較小的墻段進行截面抗震承載力驗算。墻段的地震剪力按墻段的層間等效側向剛度進行分配。支撐大梁的墻肢還應進行豎向承載力和局部受壓承載力驗算。

    3.3抗震構造措施
    　　3.3.1砌體結構是一種脆性結構，應設置適當數量的圈梁和構造柱，增加砌體結構的延性，提高抗震性能。構造柱應嚴格按照《建筑設計抗震規范》中第7.3.1條設置構造柱。當外縱墻洞口寬度大于2m時，洞口兩側應增設構造柱；女兒墻內應按間隔不大于2m設置構造柱。圈梁應每層設置，并且閉合，圈梁高度應不小于180mm。本次特大地震中，窗下墻多出現十字交叉剪切裂縫，外縱墻窗臺部位應增設通長圈梁，圈梁高度宜為120mm，增強窗下墻體的抗剪強度。
    　　3.3.2樓、屋蓋結構是各片抗側力結構間傳遞水平力的主要構件，通常作剛性樓面假定進行結構簡化計算。因此選擇正確的樓、屋蓋結構，保證樓屋面的整體性、連續性和平面剛度，是保證結構設計計算正確合理的重要措施。樓、屋蓋結構應采用鋼筋混凝土現澆板結構，增強教學樓的平面剛度。除走廊現澆板外，現澆板的厚度不應小于110mm，不宜小于120mm。
    　　3.3.3每間教室大多為二或三開間，兩開間交界設橫梁，橫梁支承在縱向窗間墻上。窗間墻原本就很薄弱，卻要承受由橫梁傳來的集中荷載以及由此荷載引起的地震作用。雖然在窗間墻部位設置了磚壁柱，但磚壁柱與翼墻仍為脆性構件。本次特大地震中，一、二層磚壁柱與翼墻大多出現十字交叉剪切裂縫，如圖2。磚壁柱應設計成組合磚砌體，并且在磚壁柱與翼墻間，每間隔5皮磚，設兩根通長拉接筋，如圖3。
    　　3.3.4砌體結構房屋的抗震能力與墻體橫截面積及砂漿強度等級高低成正比，提高墻體面積、砂漿強度等級能有效地提高房屋的抗震能力。教學樓外縱墻的開洞率不宜大于50%，不應大于60%。教學樓底部一、二層承受的地震作用力較大，是薄弱層，本次特大地震中，教學樓外縱墻在一、二層部位受剪破壞尤為嚴重，如圖4。因此外縱墻在一、二層部位選用370mm厚Mu10磚砌筑M10混合砂漿墻體，能增強一、二層結構的抗剪承載力，從而提高結構整體抗震能力。
    　　3.3.5走廊欄板是教學樓的關鍵安全構件。本次地震中，走廊欄板多處出現整體垮塌，如圖5。走廊欄板應優先采用現澆鋼筋混凝土欄板。當采用120厚磚墻欄板時，應每開間設置混凝土構造柱，構造柱斷面應不小于240x240，欄板頂部應設置鋼筋混凝土壓頂，構造柱鋼筋應錨固于壓頂，120厚磚墻應每間隔5皮磚，設兩根通長拉接筋，鋼筋錨固于構造柱。
    　　3.3.6教學樓樓梯間不應設置在端開間，當建筑要求樓梯間必須設在端開間時，樓梯間除在樓層設置圈梁外，在半跑的樓梯平臺處還應設鋼筋混凝土圈梁，在樓梯間四角和平臺梁處均應設置構造柱。突出屋頂的樓梯間，構造柱應伸到頂部，與頂部圈梁連接。
    　　3.3.7為了避免因個別小墻肢因抗剪能力不足首先破壞，如圖6、圖7，導致整片墻逐個破壞，進而造成結構整體破壞甚至倒塌。教學樓結構中墻肢的局部尺寸限值應滿足《建筑設計抗震規范》中第7.1.6條的要求，承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離和承重窗間墻的寬度應比規范中要求更高。當不能滿足規范限值要求時，應通過洞口邊增設構造柱或將小墻肢改為配筋砌體，提高小墻肢的抗剪能力。
    　　
    　　4結束語
    　　
    　　“學校是第一避難所”。中小學教學樓在今后一段時間仍將大面積采用砌體結構體系。本文根據在汶川
    　　特大地震中中小學教學樓破壞情況的統計分析，重點從抗震構造措施方面提出了提高砌體結構的延性，增強中小學教學樓抗震能力的幾項措施，希望能給同行一些啟發。
    　　
    　　
    　　參考文獻：
    　　[1] 徐正忠，王亞勇，王迪民等.GB 5001I一2001建筑抗震設計規范 [S].
    　　[2] 王亞勇，戴國瑩，王惠平等.GB 50223-2004建筑工程抗震設防分類標準[S].
    　　[3] 任同瑞.多層砌體結構房屋外縱墻抗震的研究[J].建筑結構，1997-02
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