高烈度区学校结构设计

□文/张书鸳 朱黎蓬

高烈度区学校结构设计

□文/张书鸳 朱黎蓬

通过某学校结构设计，总结讨论设计及优化过程中遇到的问题及采取的对策，包括结构方案的确定及优化；长悬挑构件设计时采取的加强措施；转换梁配筋的包络设计；无地下室结构设置零层板时设备专业出户问题。

框架-剪力墙；转换梁；长悬挑构件；结构；设计；高烈度

1　工程概况

天津滨海新区某小学规划用地面积1.5万m2，主要包括24间普通教室、各类专业教室、教师办公室以及小型报告厅、风雨操场和为在校师生提供餐饮的小型食堂。其中教学综合楼为5层（局部3层），之间设抗震缝，首层层高4.2 m。2～4层层高均为4 m，5层层高3.6 m，主体结构总高度20.25 m，采用全现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构体系。食堂、风雨操场，局部地下室层高4.5 m，地上1层（局部2层），首层层高5.1 m，2层层高8.1 m，总高度13.65 m，主体采用全现浇钢筋混凝土框架结构，见图1。

图1　工程效果

2　设计及优化过程中遇到的问题及采取措施

工程设计使用年限50 a，设防烈度7度（0.15g）［1］，场地类别为Ⅳ类场地。依据中震防发（2009）49号，各单体抗震设防类别均为乙类，设防烈度为7度，地震动峰值加速度提高至0.2g进行计算，抗震措施应符合8度抗震设防的要求。

综合教学楼5层部分，结构形式为框架剪力墙，其中框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级；综合教学楼3层部分，结构形式为框架，抗震等级为二级；食堂风雨操场，框架结构，抗震等级为一级；抗震构造措施均不提高。

以下主要对综合教学楼结构设计及优化过程中遇到的问题进行分析总结，提出相应的解决方案，希望为同类工程设计提供参考。

2.1综合教学楼主体及基础结构方案的优化

综合教学楼5层部分总高度20.25 m，可采取框架及框-剪结构两种布置方案，对此两种结构方案进行试算。

方案一：框架结构。周期比、位移比等控制性综合指标参数均不满足规范要求。采用增大周边柱截面及梁高等措施，对以上控制性综合指标参数影响有限，但对工程经济性影响较大。

方案二：框架-剪力墙结构。因使用功能要求，外墙几乎全是窗户，水平方向剪力墙只能布置在走廊两侧，竖直剪力墙布置在卫生间及局部无外窗处。因需满足单片墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部总水平剪力的30%，故水平及竖直方向剪力墙至少4片并且需要受力均匀。

经多轮试算，最终剪力墙布置见图2。第一扭转周期与第一平动周期比值为0.82，抗扭能力较强，考虑偶然偏心作用的扭转位移比1.27，位移角在1/800［1］限值范围内，各项综合指标均符合规范要求且经济性较框架结构有利。最终综合教学楼5层部分主体采用框架-剪力墙结构。

图2　教学综合楼5层部分剪力墙布置

2016年6月1号执行的《中国地震动参数区划图》，天津设防区划调整，天津大部分地区抗震设防烈度改成8度0.2g，学校类建筑乙类，抗震计算还要上调，多层（5层及以上）采用框剪结构经济性有待考证，隔震等措施将是学校类建筑设计的大趋势。

基础设计等级及建筑桩基设计等级均为乙级。由于上部荷载较大，基础设计采用桩基础。根据岩土工程勘察报告（详细勘察阶段），提供预制方桩和灌注桩两种桩型。考虑到方桩桩端持力层较浅，桩身范围内存在12～13 m厚的淤泥质粘土，承载力较低无法满足设计要求且该场地周边采用预制方桩的工程有成桩质量较差的工程先例，故采用钻孔灌注桩方案。桩径600 mm，单桩竖向承载力特征值1 100 kN。

2.2长悬挑构件设计时采取的加强措施

综合教学楼3层部分与食堂风雨操场相邻位置，因为车辆通道以及建筑立面要求，无法布置竖向构件，需要结构在教学综合楼2层顶悬挑7.125 m。长悬挑梁及其支撑柱考虑竖向地震作用包络设计。

为此悬挑梁截面400 mm×1 200 mm并在2-1轴、2-4轴延伸一跨，因走廊两侧建筑功能要求，梁不能太高，故2-2轴、2-3轴处悬挑梁及内跨梁仍为300 mm× 650 mm。为减轻自重，分割次梁采用热轧普通焊接H型350 mm×300 mm×8 mm×12 mm。经计算复核，梁的挠度和裂缝能满足设计要求。

另外采取措施减轻悬挑构件上的荷重，大悬挑梁上装饰板采用轻质材料并控制线荷载≯2.5 kN/m2。使用及维护要求钢结构定期检查和维护，严防积水；遇暴雪等恶劣天气应采取人工除雪等保护措施。

因结构设计与建筑专业设计相比有很大不同，结构设计不能等建筑条件完全确定再行，要把握重点，轻计算重概念，对于复杂的工程问题，不可能等彻底研究透了再设计，结构设计重在及时解决工程问题。因此在概念清晰、技术可靠的前提下合理进行包络设计，可作为解决复杂技术问题的基本办法［2］。长悬挑构件及其支承柱设计配筋也正是基于上述原则进行的简化。长悬挑部分配筋见图3。

图3　长悬挑部分配筋

2.3转换梁配筋的包络设计

4层及以下各层的1-C～1-E轴与1-1～1-3轴之间为合办教室，故1-2交1-D轴处无法布置柱子，见图4。5层因建筑里面及功能要求，1-D～1-E轴取消，结构此处需沿1-2轴11.7 m的大跨度梁上起柱满足建筑需求，见图5。

因建筑层高及使用功能要求，1-2轴处大跨度梁高度受到限制。若此梁在地震中首先破坏则上层梁上柱首先破坏，将导致屋面坍塌，后果严重。此处梁如何设计，成为设计重点。

根据PMCAD2013用户手册，采用两种施工加载（模拟施工加载三和一次性加载），在特殊构建定义中定义此梁为转换梁，对此梁及周边梁柱进行包络设计。

图4　4层顶局部梁配筋

图5　5层顶局部梁配筋

经分析，大跨度梁支座及跨中配筋一次性加载均略小于模拟施工加载，1-C交1-2轴处柱配筋一次性加载均略大于模拟施工加载三。分析其原因，因一次性加载采用整体刚度模型，按照一次性加载方式计算竖向力，而模拟施工加载三采用分层集成刚度、分层加载进行荷载下的内力计算。实际施工，需待主体封顶后，转换梁下的支撑方可拆除。故顶层构件转换梁及周边构件更接近于一次性加载工况，但其他构件则需按照模拟施工加载三来配筋。

2.4零层板设计

场地土为软弱场地土，考虑到学校的特殊使用功能，在平时使用中若出现地面沉陷，虽没有结构安全问题，但却容易引起不必要的恐慌，故在初设阶段虽无地下室，但也考虑设置零层板。设置零层板带来设备专业出户管怎么出户以及设备安装等问题，因无地下室，基础埋深1.95 m，基础高度0.8 m，至此到零层板顶仅1.15 m，施工零层梁及板时，空间支模困难。所有地拉梁上砌筑实心页岩砖，砌实顶紧，可作为上部梁的模板；房芯素土回填压实，压实系数≮0.94，作为地模。

在卫生间等部位有较多管子出户等位置处，有隔墙位置设置梁，以免墙体后期使用过程中因不均匀沉降而开裂，其余位置零层板取消，便于设备安装及后期维护。同时零层结构板应与设备各专业协商施工次序，避免造成结构板施工完毕后设备各专业出户管无法出户或者设备安装困难等问题。

3　结语

结合工程实际情况，选取合理的结构方案，重视重要部位结构构件的分析，对于整个建筑功能的实现，具有以下重要意义：

1）从方案上把控结构的经济合理性，在当下竞标激烈，业主基本凭借低价选标，结构优化越来越重要，在确保工程安全的前提条件，优选方案显得尤为重要；

2）结构分析要有预见性和目的性，尽可能选用轻质材料，便于实现大悬挑等重点构件设计；

3）采用合理的包络设计，了解实际施工过程对于重点部位的重要构件的设计，确保结构安全；

4）考虑施工可实现性，采取有效预案，与相关专业配合，了解相关需求，遇有冲突的地方，要有预知性，以免造成工程量的增加。

学校功能复杂，对结构专业要求较高，通过深入细致工作，经过多次优化设计，采取可靠措施方能实现建筑及设备功能要求，贯彻国家对建筑工程安全适用、技术先进、经济合理、确保质量的技术经济政策，如对薄弱部位结构构件采取包络设计，即满足建筑功能要求，又使得结构安全得以保证。结构设计应大局上优先方案，做到既满足安全要求，又保证工程造价在相对合理范围内，从而取得较好经济效益和社会效益。

［1］GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析［M］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

□朱黎蓬/天津中天建都市建筑设计有限公司。

TU208.2

C

1008-3197（2016）03-72-04

2016-02-26

张书鸳/女，1979年出生，工程师，硕士，天津大学建筑设计研究院，从事复杂结构分析研究工作。

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