高烈度區(qū)學校結構設計

□文/張書鴛 朱黎蓬

高烈度區(qū)學校結構設計

□文/張書鴛 朱黎蓬

通過某學校結構設計，總結討論設計及優(yōu)化過程中遇到的問題及采取的對策，包括結構方案的確定及優(yōu)化；長懸挑構件設計時采取的加強措施；轉換梁配筋的包絡設計；無地下室結構設置零層板時設備專業(yè)出戶問題。

框架-剪力墻；轉換梁；長懸挑構件；結構；設計；高烈度

1　工程概況

天津濱海新區(qū)某小學規(guī)劃用地面積1.5萬m2，主要包括24間普通教室、各類專業(yè)教室、教師辦公室以及小型報告廳、風雨操場和為在校師生提供餐飲的小型食堂。其中教學綜合樓為5層（局部3層），之間設抗震縫，首層層高4.2 m。2～4層層高均為4 m，5層層高3.6 m，主體結構總高度20.25 m，采用全現澆鋼筋混凝土框架剪力墻結構體系。食堂、風雨操場，局部地下室層高4.5 m，地上1層（局部2層），首層層高5.1 m，2層層高8.1 m，總高度13.65 m，主體采用全現澆鋼筋混凝土框架結構，見圖1。

圖1　工程效果

2　設計及優(yōu)化過程中遇到的問題及采取措施

工程設計使用年限50 a，設防烈度7度（0.15g）［1］，場地類別為Ⅳ類場地。依據中震防發(fā)（2009）49號，各單體抗震設防類別均為乙類，設防烈度為7度，地震動峰值加速度提高至0.2g進行計算，抗震措施應符合8度抗震設防的要求。

綜合教學樓5層部分，結構形式為框架剪力墻，其中框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級；綜合教學樓3層部分，結構形式為框架，抗震等級為二級；食堂風雨操場，框架結構，抗震等級為一級；抗震構造措施均不提高。

以下主要對綜合教學樓結構設計及優(yōu)化過程中遇到的問題進行分析總結，提出相應的解決方案，希望為同類工程設計提供參考。

2.1綜合教學樓主體及基礎結構方案的優(yōu)化

綜合教學樓5層部分總高度20.25 m，可采取框架及框-剪結構兩種布置方案，對此兩種結構方案進行試算。

方案一：框架結構。周期比、位移比等控制性綜合指標參數均不滿足規(guī)范要求。采用增大周邊柱截面及梁高等措施，對以上控制性綜合指標參數影響有限，但對工程經濟性影響較大。

方案二：框架-剪力墻結構。因使用功能要求，外墻幾乎全是窗戶，水平方向剪力墻只能布置在走廊兩側，豎直剪力墻布置在衛(wèi)生間及局部無外窗處。因需滿足單片墻底部承擔的水平剪力不應超過結構底部總水平剪力的30%，故水平及豎直方向剪力墻至少4片并且需要受力均勻。

經多輪試算，最終剪力墻布置見圖2。第一扭轉周期與第一平動周期比值為0.82，抗扭能力較強，考慮偶然偏心作用的扭轉位移比1.27，位移角在1/800［1］限值范圍內，各項綜合指標均符合規(guī)范要求且經濟性較框架結構有利。最終綜合教學樓5層部分主體采用框架-剪力墻結構。

圖2　教學綜合樓5層部分剪力墻布置

2016年6月1號執(zhí)行的《中國地震動參數區(qū)劃圖》，天津設防區(qū)劃調整，天津大部分地區(qū)抗震設防烈度改成8度0.2g，學校類建筑乙類，抗震計算還要上調，多層（5層及以上）采用框剪結構經濟性有待考證，隔震等措施將是學校類建筑設計的大趨勢。

基礎設計等級及建筑樁基設計等級均為乙級。由于上部荷載較大，基礎設計采用樁基礎。根據巖土工程勘察報告（詳細勘察階段），提供預制方樁和灌注樁兩種樁型?？紤]到方樁樁端持力層較淺，樁身范圍內存在12～13 m厚的淤泥質粘土，承載力較低無法滿足設計要求且該場地周邊采用預制方樁的工程有成樁質量較差的工程先例，故采用鉆孔灌注樁方案。樁徑600 mm，單樁豎向承載力特征值1 100 kN。

2.2長懸挑構件設計時采取的加強措施

綜合教學樓3層部分與食堂風雨操場相鄰位置，因為車輛通道以及建筑立面要求，無法布置豎向構件，需要結構在教學綜合樓2層頂懸挑7.125 m。長懸挑梁及其支撐柱考慮豎向地震作用包絡設計。

為此懸挑梁截面400 mm×1 200 mm并在2-1軸、2-4軸延伸一跨，因走廊兩側建筑功能要求，梁不能太高，故2-2軸、2-3軸處懸挑梁及內跨梁仍為300 mm× 650 mm。為減輕自重，分割次梁采用熱軋普通焊接H型350 mm×300 mm×8 mm×12 mm。經計算復核，梁的撓度和裂縫能滿足設計要求。

另外采取措施減輕懸挑構件上的荷重，大懸挑梁上裝飾板采用輕質材料并控制線荷載≯2.5 kN/m2。使用及維護要求鋼結構定期檢查和維護，嚴防積水；遇暴雪等惡劣天氣應采取人工除雪等保護措施。

因結構設計與建筑專業(yè)設計相比有很大不同，結構設計不能等建筑條件完全確定再行，要把握重點，輕計算重概念，對于復雜的工程問題，不可能等徹底研究透了再設計，結構設計重在及時解決工程問題。因此在概念清晰、技術可靠的前提下合理進行包絡設計，可作為解決復雜技術問題的基本辦法［2］。長懸挑構件及其支承柱設計配筋也正是基于上述原則進行的簡化。長懸挑部分配筋見圖3。

圖3　長懸挑部分配筋

2.3轉換梁配筋的包絡設計

4層及以下各層的1-C～1-E軸與1-1～1-3軸之間為合辦教室，故1-2交1-D軸處無法布置柱子，見圖4。5層因建筑里面及功能要求，1-D～1-E軸取消，結構此處需沿1-2軸11.7 m的大跨度梁上起柱滿足建筑需求，見圖5。

因建筑層高及使用功能要求，1-2軸處大跨度梁高度受到限制。若此梁在地震中首先破壞則上層梁上柱首先破壞，將導致屋面坍塌，后果嚴重。此處梁如何設計，成為設計重點。

根據PMCAD2013用戶手冊，采用兩種施工加載（模擬施工加載三和一次性加載），在特殊構建定義中定義此梁為轉換梁，對此梁及周邊梁柱進行包絡設計。

圖4　4層頂局部梁配筋

圖5　5層頂局部梁配筋

經分析，大跨度梁支座及跨中配筋一次性加載均略小于模擬施工加載，1-C交1-2軸處柱配筋一次性加載均略大于模擬施工加載三。分析其原因，因一次性加載采用整體剛度模型，按照一次性加載方式計算豎向力，而模擬施工加載三采用分層集成剛度、分層加載進行荷載下的內力計算。實際施工，需待主體封頂后，轉換梁下的支撐方可拆除。故頂層構件轉換梁及周邊構件更接近于一次性加載工況，但其他構件則需按照模擬施工加載三來配筋。

2.4零層板設計

場地土為軟弱場地土，考慮到學校的特殊使用功能，在平時使用中若出現地面沉陷，雖沒有結構安全問題，但卻容易引起不必要的恐慌，故在初設階段雖無地下室，但也考慮設置零層板。設置零層板帶來設備專業(yè)出戶管怎么出戶以及設備安裝等問題，因無地下室，基礎埋深1.95 m，基礎高度0.8 m，至此到零層板頂僅1.15 m，施工零層梁及板時，空間支模困難。所有地拉梁上砌筑實心頁巖磚，砌實頂緊，可作為上部梁的模板；房芯素土回填壓實，壓實系數≮0.94，作為地模。

在衛(wèi)生間等部位有較多管子出戶等位置處，有隔墻位置設置梁，以免墻體后期使用過程中因不均勻沉降而開裂，其余位置零層板取消，便于設備安裝及后期維護。同時零層結構板應與設備各專業(yè)協(xié)商施工次序，避免造成結構板施工完畢后設備各專業(yè)出戶管無法出戶或者設備安裝困難等問題。

3　結語

結合工程實際情況，選取合理的結構方案，重視重要部位結構構件的分析，對于整個建筑功能的實現，具有以下重要意義：

1）從方案上把控結構的經濟合理性，在當下競標激烈，業(yè)主基本憑借低價選標，結構優(yōu)化越來越重要，在確保工程安全的前提條件，優(yōu)選方案顯得尤為重要；

2）結構分析要有預見性和目的性，盡可能選用輕質材料，便于實現大懸挑等重點構件設計；

3）采用合理的包絡設計，了解實際施工過程對于重點部位的重要構件的設計，確保結構安全；

4）考慮施工可實現性，采取有效預案，與相關專業(yè)配合，了解相關需求，遇有沖突的地方，要有預知性，以免造成工程量的增加。

學校功能復雜，對結構專業(yè)要求較高，通過深入細致工作，經過多次優(yōu)化設計，采取可靠措施方能實現建筑及設備功能要求，貫徹國家對建筑工程安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的技術經濟政策，如對薄弱部位結構構件采取包絡設計，即滿足建筑功能要求，又使得結構安全得以保證。結構設計應大局上優(yōu)先方案，做到既滿足安全要求，又保證工程造價在相對合理范圍內，從而取得較好經濟效益和社會效益。

［1］GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震設計規(guī)范應用與分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

□朱黎蓬/天津中天建都市建筑設計有限公司。

TU208.2

C

1008-3197（2016）03-72-04

2016-02-26

張書鴛/女，1979年出生，工程師，碩士，天津大學建筑設計研究院，從事復雜結構分析研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.026