中小学教学楼结构设计要点

中小学教学楼结构设计要点

陶俊良

中恒工程设计院有限公司 四川成都 610017

【摘要】目的：中小学生等未成年人的自我保护能力及逃生能力较差，国家已出台大量措施保证其人身安全，学校建筑结构设计显的尤为重要，本文以四川省绵阳市某学校为例，从结构概念设计出发，探讨教学楼设计的要点，为此类型结构设计提供借鉴。

【关键词】中小学校、结构设计、设计要点

青少年是祖国的未来，为其提供安全、舒适的成长学习环境是设计人员的义务。当今地震、台风、洪涝等自然灾害频发，成年人尚且畏惧和无助，何况儿童。此时，一间安全的教室成为其最后的“安全岛”，保护他们的同时，保护了成千上万个家庭。笔者参与了四川省多个中小学校结构设计工作，总结了一些经验，借以实例来进行分析探讨。

1. 设计参数

中小学教学楼层数多为3~5层，层高3.6~4.2，房屋高度一般不超过24米，属于多层建筑。根据《建筑工程抗震设防分类标准》^[1]属于重点设防类（乙类）建筑。以四川省绵阳市某九年制学校为例，对教学楼结构设计中的要点进行分析。该校区主要为办公区、教学区、生活区3大功能区块，总体呈南北向分布，将三大区域进行整合，形成一栋造型独具特色、色彩丰富的多层体验空间的九年制学校。

项目结构设计使用年限 50 年；结构安全等级一级，结构重要性系数1.1；地基基础设计等级乙级；抗震设防烈度为 7 度，基本加速度值为 0.10g，设计地震分组为第二组；场地类别为Ⅱ类；抗震等级：二级。

2、场地地基

场地呈扇形，南北高差约 15m，东西高差约 13m，北侧紧邻高边坡，坡高约23m。因北侧位于高边坡之上，且部分地段杂填土厚度较大，综合确定建筑场地属于建筑抗震不利地段。场地地基土自上而下主要为粉质粘土、含粉质粘土卵石、粉砂质泥岩。若全部采用浅基础，地基承载力和变形均能满足规范要求，但考虑建筑临近边坡及其稳定性等抗震不利因素，临近边坡的风雨操场、地下室选择采用嵌岩桩基础。距边坡较远的教学楼，地基主要为含粉质粘土卵石层，则采用独立基础，并在基础间设置拉梁以加强其整体性。由于采用了两种不同基础形式，考虑其地基沉降变形影响，设计时在两种基础之间增设了沉降缝。坡地建筑应强调主体结构与边坡治理的施工顺序，严禁在边坡治理前进行主体结构施工。针对场地属于抗震不利地段，因分析其不利因素，并采取相应的结构措施。本项目抗震不利地段划分是因为场地位于高边坡之上，在保证其在地震作用下的稳定性之外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，应考虑提高水平地震影响系数最大值^[2]。经计算，教学楼水平地震影响系数最大值提高至0.13，临近边坡的食堂、地下车库提高至0.15。

2、结构设计

教学楼为回字形围合建筑，地下1层、地上4~5层，地下室与地下车库、活动区连为整体。回字形西侧为连接走廊，其余为教学用房。教学楼地下室结合坡地设置，为非全埋地下室，西南两侧地势高临土，东北两侧与车库相连，车库北侧则直通室外。设计人员计算建筑结构高度时经常不看建筑总图，起算位置容易出错，针对本项目容易忽略“非全埋”，导致起算位置取地下室顶板室外标高，这是错误的，应从地下室内地面算起。本项目建筑初步方案时层高定为4.2米，建筑专业从地下室顶板地面起算的建筑高度为21.1米，但从地下室内地面起算的建筑结构高度为25.2米，已超过24米属于高层建筑范畴了。后从项目投资成本等多方面考虑后，地上建筑层高降为3.9米，高度控制在24米以内。由此可见，一个0.3米的层高差会引申出如此大的差异，所以结构专业应尽早的介入建筑方案设计。同时，非全埋地下室应考虑不平衡土压力对结构的不利影响，结构模型计算时可通过静力荷载的方式模拟土压力。

本项目教学楼平面为单侧走廊布置，采用钢筋混凝土框架结构，在回字形角部设置4道抗震缝后将其划分为4个较规则矩形。需要注意抗震缝宽度属于抗震构造措施，应按提高一度8度的要求确定。抗震缝宽度按较低房屋高度确定，教学楼北侧结构单元为5层，东侧为4层，抗震缝宽度按理应按东侧4层高度确定，但忽略了一点，东侧结构单元刚好在抗震缝处有一局部突出的楼梯间。算上楼梯间，此时抗震缝两侧均为5层，所以该抗震缝应按5层高度确定其宽度。

西侧连接走廊为单跨，按规范乙类建筑不应采用单跨框架结构，故结构方案在走廊端部角柱处结合建筑门洞设置了剪力墙，形成框架-剪力墙结构，框架部分承受的地震倾覆力矩应小于50%，且横向剪力墙的布置宜满足间距的要求^[3]。

设缝后的结构单元均为较规则矩形，但不可忽视结构的规则性判断。1、教学楼为单侧走廊形式，横向短、纵向长，其长宽比较大，位移角很难满足1.2的要求，形成扭转不规则。应控制结构单元的长宽比，减小结构的扭转效应。2、由于横向短，楼梯间开洞后需要复核有效楼板的宽度是否大于楼板典型宽度的50%，避免形成楼板局部不连续，楼梯对应处楼板应做适当加强，提高其配筋率，且应避免楼梯设置在结构端跨。3、北侧结构单元在端部横向外扩了一跨，形成合班教室，这是一种很常见的建筑设计方式，但此时应注意结构的凹凸不规则。

教学楼次梁的布置常采用单向梁体系，即在横向设置次梁，楼面荷载通过次梁传到纵向框架梁上，这样布置有以下优点：1、横向框架梁仅承受两侧楼板传来的竖向荷载，能降低横向框架梁高度，通常主次梁可以同高，能优化教室的净高和使用布置；2、竖向荷载主要通过纵向框架梁传到框架柱，可以减小横向柱端重力荷载下的弯矩，减小地震工况下对横向弱轴方向的作用，对结构横向位移的控制有利；3、随着装配式建筑的推广，各地政府已对建筑单体预制率有明确要求，单向次梁体系更适合装配式叠合楼板、叠合梁的布置。

设备管线、桥架均沿单侧走廊布置，为提高舒适度及感官感受应降低横向框架梁高，尽可能的提高走廊净空高度。走廊、楼梯等栏杆顶部的水平荷载应取1.5KN/m，竖向荷载应取1.2KN/m，水平荷载与竖向荷载应分别考虑^[4]。

【总结】中小学教学楼为重点设防类建筑，应从结构概念设计出发加强其抗震性能，保证结构安全的同时做到使用上的舒适。需要注意四川省内的中小学教学楼单体面积大于5000m²或高度大于24m时应进行抗震设防专项审查。

【参考文献】

[1]建筑工程抗震设防分类标准(GB50223-2008).北京.中国建筑工业出版社

[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2010).北京.中国建筑工业出版社

[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010).北京.中国建筑工业出版社

[4]中小学校设计规范(GB50099-2011).北京.中国建筑工业出版社