从5·12汶川特大地震谈中小学教学楼抗震设计

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[关键词]工程建筑  

    摘 要: 通过对5·12汶川特大地震中中小学教学楼受损情况的实地考察,从结构设计专业角度分析了教学楼大量损坏、倒塌的原因,提出了应在抗震设防分类标准、平面布置、结构选型及抗震构造措施等方面加强中小学教学楼的结构抗震设计,以对中小学教学楼结构设计提供参考。
  关键词: 地震; 中小学教学楼; 砌体结构; 抗震设防; 构造措施
  
  1前言
  
  5·12汶川特大地震,国人心中永远的痛!地震造成许多砌体结构的中小学教学楼(以下简称教学楼)倒塌,众多学生遇难,未倒塌的教学楼也都受到了不同程度的破坏,震中60%以上的教学楼成了危房,需要拆除重建。
  
  2震害原因分析
  
  2.1 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。本次特大地震主震区,如茂县、汶川、北川最高抗震设防烈度只为7度,而绵阳、广元抗震设防烈度只为6度。
  2.2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,如图1。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。
  
     
  
  2.3 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。   3应对措施
  
  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。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》中第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,如图2。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,如图3。
  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,如图4。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,如图5。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。
  3.3.7为了避免因个别小墙肢因抗剪能力不足首先破坏,如图6、图7,导致整片墙逐个破坏,进而造成结构整体破坏甚至倒塌。教学楼结构中墙肢的局部尺寸限值应满足《建筑设计抗震规范》中第7.1.6条的要求,承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离和承重窗间墙的宽度应比规范中要求更高。当不能满足规范限值要求时,应通过洞口边增设构造柱或将小墙肢改为配筋砌体,提高小墙肢的抗剪能力。
  
  4结束语
  
  “学校是第一避难所”。中小学教学楼在今后一段时间仍将大面积采用砌体结构体系。本文根据在汶川
  特大地震中中小学教学楼破坏情况的统计分析,重点从抗震构造措施方面提出了提高砌体结构的延性,增强中小学教学楼抗震能力的几项措施,希望能给同行一些启发。
  
  
  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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