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從５?１２汶川特大地震談中小學(xué)教學(xué)樓抗震設(shè)計

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
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(xué)教學(xué)樓受損情況的實地考察，從結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)角度分析了教學(xué)樓大量損壞、倒塌的原因，提出了應(yīng)在抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)、平面布置、結(jié)構(gòu)選型及抗震構(gòu)造措施等方面加強(qiáng)中小學(xué)教學(xué)樓的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，以對中小學(xué)教學(xué)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
    　　關(guān)鍵詞: 地震； 中小學(xué)教學(xué)樓； 砌體結(jié)構(gòu)； 抗震設(shè)防； 構(gòu)造措施
    　　
    　　1前言
    　　
    　　5?12汶川特大地震，國人心中永遠(yuǎn)的痛！地震造成許多砌體結(jié)構(gòu)的中小學(xué)教學(xué)樓（以下簡稱教學(xué)樓）倒塌，眾多學(xué)生遇難，未倒塌的教學(xué)樓也都受到了不同程度的破壞，震中60%以上的教學(xué)樓成了危房，需要拆除重建。
    　　
    　　2震害原因分析
    　　
    　　2.1 抗震設(shè)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(dāng)于10~11度，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了抗震設(shè)計方面的現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)定的抗震設(shè)防烈度。《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》GB50011-2001[1]中，明確了對各地的抗震設(shè)防等級劃分。本次特大地震主震區(qū)，如茂縣、汶川、北川最高抗震設(shè)防烈度只為7度，而綿陽、廣元抗震設(shè)防烈度只為6度。
    　　2.2教學(xué)樓結(jié)構(gòu)特性
    　　本次特大地震中倒塌或嚴(yán)重?fù)p壞的中小學(xué)教學(xué)樓一般都為砌體結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)是一種脆性結(jié)構(gòu)，其抗拉和抗剪能力均較低。而教學(xué)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(qiáng)烈地震作用下，這種砌體結(jié)構(gòu)更易于發(fā)生脆性的剪切破壞，從而導(dǎo)致房屋的整體破壞和倒塌。






    2.3 抗震構(gòu)造措施
    　　震區(qū)倒塌的教學(xué)樓大多還是80年代甚至更早以前的建筑，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，抗震構(gòu)造措施嚴(yán)重不足。絕大多數(shù)教學(xué)樓為磚砌體加預(yù)制混凝土樓板結(jié)構(gòu)，圈梁和構(gòu)造柱設(shè)置數(shù)量嚴(yán)重不足。在強(qiáng)烈地震作用下，墻體脆性受剪破壞，本身未有多少破壞的預(yù)制樓板，因與墻體（圈梁）缺少可靠連接，預(yù)制樓板垮塌下來，造成教學(xué)樓整體倒塌。

    3應(yīng)對措施
    　　
    　　3.1提高抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)
    　　我國現(xiàn)行的《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223-2004[2]中第6.0.8條規(guī)定：“教育建筑中，人數(shù)較多的幼兒園、小學(xué)的低層教學(xué)樓，抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為乙類。這類房屋采用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)類型時，可仍按本地區(qū)抗震設(shè)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(xué)童人數(shù)超600人的小學(xué)和人數(shù)超過200人的幼兒園、房屋層數(shù)不超過三層的磚混結(jié)構(gòu)教學(xué)樓列為乙類建筑，其余中小學(xué)建筑的抗震設(shè)防分類仍為丙類。本次特大地震中小學(xué)建筑破壞的嚴(yán)重后果，中小學(xué)教學(xué)樓作為特殊的人員集中場所，應(yīng)提高該類建筑物的抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)。
    　　3.2抗震驗算
    　　3.2.1教學(xué)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(jié)構(gòu)布置宜規(guī)則，立面宜簡潔，上下樓層橫墻應(yīng)基本對齊，結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與剛度中心相一致，避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對于復(fù)雜形體的教學(xué)樓，應(yīng)設(shè)置防震縫，以形成較規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。
    　　3.2.2教學(xué)樓的總層數(shù)與高度不能超過《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》中第7.1.2條規(guī)定?？拐鹪O(shè)防烈度為6度時，總高度不能超過18m，層數(shù)不能超過六層；抗震設(shè)防烈度為7度時，總高度不能超過15m，層數(shù)不能超過五層；抗震設(shè)防烈度為8度時，總高度不能超過12m，層數(shù)不能超過四層?？拐饳M墻的間距不能超過《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》中第7.1.5條規(guī)定。
    　　3.2.3教學(xué)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(yīng)力較小的墻段進(jìn)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(cè)向剛度進(jìn)行分配。支撐大梁的墻肢還應(yīng)進(jìn)行豎向承載力和局部受壓承載力驗算。

    3.3抗震構(gòu)造措施
    　　3.3.1砌體結(jié)構(gòu)是一種脆性結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的圈梁和構(gòu)造柱，增加砌體結(jié)構(gòu)的延性，提高抗震性能。構(gòu)造柱應(yīng)嚴(yán)格按照《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》中第7.3.1條設(shè)置構(gòu)造柱。當(dāng)外縱墻洞口寬度大于2m時，洞口兩側(cè)應(yīng)增設(shè)構(gòu)造柱；女兒墻內(nèi)應(yīng)按間隔不大于2m設(shè)置構(gòu)造柱。圈梁應(yīng)每層設(shè)置，并且閉合，圈梁高度應(yīng)不小于180mm。本次特大地震中，窗下墻多出現(xiàn)十字交叉剪切裂縫，外縱墻窗臺部位應(yīng)增設(shè)通長圈梁，圈梁高度宜為120mm，增強(qiáng)窗下墻體的抗剪強(qiáng)度。
    　　3.3.2樓、屋蓋結(jié)構(gòu)是各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)間傳遞水平力的主要構(gòu)件，通常作剛性樓面假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化計算。因此選擇正確的樓、屋蓋結(jié)構(gòu)，保證樓屋面的整體性、連續(xù)性和平面剛度，是保證結(jié)構(gòu)設(shè)計計算正確合理的重要措施。樓、屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)教學(xué)樓的平面剛度。除走廊現(xiàn)澆板外，現(xiàn)澆板的厚度不應(yīng)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(shè)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(shè)置了磚壁柱，但磚壁柱與翼墻仍為脆性構(gòu)件。本次特大地震中，一、二層磚壁柱與翼墻大多出現(xiàn)十字交叉剪切裂縫，如圖2。磚壁柱應(yīng)設(shè)計成組合磚砌體，并且在磚壁柱與翼墻間，每間隔5皮磚，設(shè)兩根通長拉接筋，如圖3。
    　　3.3.4砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力與墻體橫截面積及砂漿強(qiáng)度等級高低成正比，提高墻體面積、砂漿強(qiáng)度等級能有效地提高房屋的抗震能力。教學(xué)樓外縱墻的開洞率不宜大于50%，不應(yīng)大于60%。教學(xué)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(xué)樓外縱墻在一、二層部位受剪破壞尤為嚴(yán)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(qiáng)一、二層結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，從而提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力。
    　　3.3.5走廊欄板是教學(xué)樓的關(guān)鍵安全構(gòu)件。本次地震中，走廊欄板多處出現(xiàn)整體垮塌，如圖5。走廊欄板應(yīng)優(yōu)先采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土欄板。當(dāng)采用120厚磚墻欄板時，應(yīng)每開間設(shè)置混凝土構(gòu)造柱，構(gòu)造柱斷面應(yīng)不小于240x240，欄板頂部應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土壓頂，構(gòu)造柱鋼筋應(yīng)錨固于壓頂，120厚磚墻應(yīng)每間隔5皮磚，設(shè)兩根通長拉接筋，鋼筋錨固于構(gòu)造柱。
    　　3.3.6教學(xué)樓樓梯間不應(yīng)設(shè)置在端開間，當(dāng)建筑要求樓梯間必須設(shè)在端開間時，樓梯間除在樓層設(shè)置圈梁外，在半跑的樓梯平臺處還應(yīng)設(shè)鋼筋混凝土圈梁，在樓梯間四角和平臺梁處均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱。突出屋頂?shù)臉翘蓍g，構(gòu)造柱應(yīng)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(dǎo)致整片墻逐個破壞，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)整體破壞甚至倒塌。教學(xué)樓結(jié)構(gòu)中墻肢的局部尺寸限值應(yīng)滿足《建筑設(shè)計抗震規(guī)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(yīng)比規(guī)范中要求更高。當(dāng)不能滿足規(guī)范限值要求時，應(yīng)通過洞口邊增設(shè)構(gòu)造柱或?qū)⑿χ臑榕浣钇鲶w，提高小墻肢的抗剪能力。
    　　
    　　4結(jié)束語
    　　
    　　“學(xué)校是第一避難所”。中小學(xué)教學(xué)樓在今后一段時間仍將大面積采用砌體結(jié)構(gòu)體系。本文根據(jù)在汶川
    　　特大地震中中小學(xué)教學(xué)樓破壞情況的統(tǒng)計分析，重點(diǎn)從抗震構(gòu)造措施方面提出了提高砌體結(jié)構(gòu)的延性，增強(qiáng)中小學(xué)教學(xué)樓抗震能力的幾項措施，希望能給同行一些啟發(fā)。
    　　
    　　
    　　參考文獻(xiàn)：
    　　[1] 徐正忠，王亞勇，王迪民等.GB 5001I一2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S].
    　　[2] 王亞勇，戴國瑩，王惠平等.GB 50223-2004建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].
    　　[3] 任同瑞.多層砌體結(jié)構(gòu)房屋外縱墻抗震的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，1997-02
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