摘要：通过中小学教学楼实际震害分析，表明教学楼概念设计是十分重要的，并从建筑结构的规则性、多道抗震设防、延性、整体性及填充墙布置等几个方面，对该类建筑的抗震概念设计进行了探讨，并提出了一些经验性建议，使教学楼建筑结构实现“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”的三水准抗震设防目标。

关键词：教学楼；震害；概念设计；抗震设计

1 引言
　　结构抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程，是保证结构具有优良抗震性能的一个关键问题。概念设计包含极为广泛的内容，如结构方案和布置的选择，多道抗震设防的设置，结构的延性设计，及结构整体性的保证等，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。然而，在结构设计过程中，设计人员缺少对结构抗震基本理论知识的理解和抗震设计经验，更多地机械地依赖日益傻瓜化的计算机软件，忽略了抗震概念设计。
　　概念设计是工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。历次地震震害表明，许多中小学教学楼在地震过程中破坏严重甚至倒塌，人员伤亡惨重，给人们带来沉痛的教训，同时引起了研究人员对教学楼设计的反思。历次地震过程中，教学楼倒塌并不是个例，本文以砖混结构及框架结构两种常用的结构形式为对象，通过对中小学教学楼建筑震害进行分析，对结构抗震概念设计存在的问题及方法进行探讨。

2 震害分析[1-4]
　　2.1砖混结构
　　砖砌体结构由于造价低，经济性较好，在我国中小学校建筑里被广泛采用。砖砌体是一种脆性材料，其抗拉和抗剪能力较差，在强烈地震作用下，易发生剪切脆性破坏。因此，砌体教学楼不可避免地在地震中产生严重震害，甚至导致房屋的倒塌，如图1所示为聚源中学倒塌的教学楼。
　　图1 聚源中学 图2 漩口中学
　　砖混结构教学楼建筑的震害主要有：墙体由于抗剪不足产生了沿对角的交叉斜裂缝，这是比较常见的震害情况，几乎在所有的受损的教学楼建筑中都存在；教学楼横墙间距较大，同时为了满足采光的要求，纵墙上开洞较大且较多，导致墙体薄弱，破坏严重；建筑平、立面不规则，导致结构在地震作用下发生角部扭转破坏及薄弱层的破坏；砖混结构教学楼大多采用预制楼板，且有些没有设置构造柱、圈梁及其他拉结等构造措施提高其延性和抗倒塌能力，导致大地震中结构由于整体性不足发生倾斜倒塌。
　　2.2 框架结构
　　钢筋混凝土框架结构一直以来被公认为抗震性能较好的结构类型，然而在地震中，尽管大部分教学楼建筑主体基本完好，其抗震性能优于砖混结构，但部分该类教学楼结构破坏严重甚至倒塌。中、小学教学楼因为采光等要求通常采用单跨、外廊式单跨或外廊式双跨的框架结构形式，尤其大小跨三柱式外廊式教学建筑以其良好的自然通风、采能，抗震性能相对较好，而广泛应用。然而，此结构形式在罕遇地震下却产生倒塌，如图2所示。
　　钢筋混凝土框架结构教学楼建筑的震害主要有：填充墙等非结构构件破坏严重，填充墙开裂严重，甚至产生了平面外倒塌；结构产生了明显的柱铰机制，而不是梁铰机制，框架柱和框架梁产生了大量斜裂缝，而不是受弯开裂，“强柱弱梁、强剪弱弯”抗震设计原则没有得到有效保证；结构由于布置不规则，平面凹进和突出的角部、L形的角部等局部破坏较严重，甚至出现局部垮塌；填充墙对框架的约束作用，窗间墙对框架柱产生了短柱破坏；结构底层薄弱，框架整体刚度不大，冗余度小，结构出现整体倒塌。

3 抗震概念设计探讨
　　通过地震震害分析表明，教学楼建筑的严重破坏排除施工质量的原因，抗震概念设计的忽视和不合理是其中很重要的原因，下面结合实际震害，对教学楼建筑的抗震概念设计从以下几个方面进行探讨[5-8]。
　　3.1 建筑结构的规则性
　　规则性是概念设计的一个重要概念，合理的建筑布置在抗震设计中是十分重要的，简单、对称的结构抗震性能较好。《抗震规范》对建筑方案的规则性提出了强制性要求，提倡平面布置基本对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异，同时对结构的平面及竖向不规则做了定量判断，但并未对不对称的判断及抗侧力构件的布置等做明确规定。中小学教学楼建筑结构形式由于气候原因存在区域性，多跨抗震性能优于单跨，南方地区外廊式教学楼的应用比较广泛。该类结构形式由于教室跨度远大于走廊跨度，横向明显不对称，但根据规范，此类结构设计过程中通常作为普通的规则性结构处理。然而，通过对漩口中学同一场地的建筑震害对比可见，外廊式教学楼不利于实现大震不倒的设防目标。教学楼合理的结构形式是保证建筑抗震安全的重要因素，日本、美国等国家对中小学教学楼的抗震性能的要求较高，在平面布置方案上要求极其严格。因此，设计人员应该对所设计的结构的抗震性能有所估计，尤其对于多层教学楼建筑的结构形式更该慎重和严格地对待，实现对抗震有利的结构平面布置、立面布置，严格控制横墙的间距，对于薄弱部位可以采取设置构造柱等抗震构造措施，使结构布置更规则，受力更均匀。
　　3.2 多道抗震设防
　　在地震往复荷载作用下，建筑结构体系宜具有多道抗震防线，以避免部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失承载能力或倒塌。实际震害表明，地震中“强梁弱柱”式破坏机制普遍存在于框架结构体系中，中小学框架结构教学楼亦如此。目前，对于如何实现梁先于柱屈服，尚未有可行的办法，设计过程中楼板和填充墙的作用不容忽视。由于抗震墙及填充墙可提高框架结构的耗能能力，因此，对框架结构教学楼可以考虑合理布置抗震墙及轻质填充墙，作为结构的第一道抗震防线。另外，从多道抗震设防考虑，横向多跨结构抗震性能优于单跨结构，所以教学楼建筑中应采用多跨结构体系，外廊悬挑式结构及单跨结构在教学楼建筑中尽量不要采用。
　　3.3 结构的延性及整体性
    　结构的延性是指结构在承载力无明显降低的前提下发生塑性变形的能力，是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一。结构的整体性是指在结构产生很大程度破坏时，结构构件能协调工作，结构中所有的构件能够充分发挥各自的承载能力和塑性变形能力，整体性与延性二者密切相关。对于教学楼建筑结构，应优先选择钢筋混凝土框架结构，其延性及整体性均优于砌体结构。对于框架结构的延性影响因素较多，主要取决于构件的破坏形态及其塑化过程，弯曲破坏的延性远远大于剪切破坏。在框架结构设计中，应始终遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点，强锚固”的抗震设计原则，严格控制柱的轴压比，提高柱的延性，加强构造措施，从而改善结构体系的延性及整体性。在砌体结构设计中，优先采用现浇楼板，各个抗侧力构件必须保证可靠的连接措施，确保空间协同工作。
　　3.4 填充墙的布置
　　框架结构设计过程中，填充墙通常作为非结构构件考虑，忽视填充墙与框架之间的相互作用。实际地震震害表明，填充墙的破坏严重，填充墙对框架结构的抗震性能产生了较大影响，填充墙的作用不容忽视。一方面，填充墙对框架结构具有刚度效应，对于结构平面布置本身就不对称的教学楼建筑结构，不合理地布置填充墙时，更易引起结构的薄弱部位的产生，对抗震性能产生更加不利的影响。另一方面，填充墙对框架结构具有约束效应，易导致框架柱顶的脆性剪切破坏及窗间墙处的短柱破坏。因此，为避免填充墙对框架结构教学楼建筑产生不利影响，应该合理考虑填充墙的布置，尽量使结构质量及刚度均匀，严格控制轻质填充墙墙材料的性能，对于易产生短柱破坏的部位加强配箍，同时保证填充墙与框架间柔性连接。

4 结束语
　　中小学校是培养祖国希望的摇篮，教学楼的抗震设计关系着亿万生命的安全。在中小学教学楼抗震设计过程中，对于多发地震地区，加强结构的抗震概念设计至关重要。首先，优先选择双跨或多跨的钢筋混凝土框架结构或带剪力墙的延性及整体性好的结构体系；其次，合理布置抗侧力构件及非结构构件，尽量选择规则、对称的结构布置形式；最后，严格执行“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点，强锚固”的抗震设计原则。通过加强综上抗震概念设计，教学楼建筑一定能较好地实现结构“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”的三水准抗震设防目标，使中小学建筑地震来临时成为坚固的避难所。

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