基于平面布置不规则的中小学学校建筑加强抗震设计的策略研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 192 基于平面布置不规则的中小学学校建筑加强抗震设计的策略研究 张 军 青岛市市北区教育和体育事业保障中心，山东 青岛 266000 摘要：摘要：伴随社会的发展，当前所修建的中小学建筑更加的倾向平面布置教学功能综合化，而此则容易致使结构体较为复杂，所以需要对较为重要的结构防震缝进行设计。本文基于一些实际的案例进行分析，探讨并总结一些设缝的原则和经验，在设计抗震缝时，还要多方面的考虑不同的因素产生的影响，利用合理的措施进一步的提升建筑的抗震能力，提高建筑的质量。并且实际的应用结果也显示此次采取的抗震措施效果有效，具有较高的可行性。关键词：关键词：学校建筑；防震缝；设计；平面布置不规则；措施 中图分类号：中图分类号：TU318 1 防震缝的设置分析 当下在建筑的不规则布置结构中，设置合理的防震缝能够把不规则结构进一步划分成规则的单体建筑，进而能够提升建筑的抗震能力。从下面的实际案例加以分析设置防震缝的合理性。1.1 A 学校 A 学校主要是建设有教学楼、食堂多功能厅、综合楼等三类建筑，教学校为五层，综合楼为三层，教学楼的层数高于综合楼，而且相邻两侧的刚度不一，此 对抗震的功能具有一定的影响，所以在此处设立 1 号防震缝，以此促使质量刚度均的均匀性得到保障。教学楼的形状为 L 形，对此需要多设立防震缝，根据 建筑抗震设计规范设立 2a 或 2b 号防震缝，进而可消除凹凸结构的问题，并达到相关的标准，但受建筑的 图 1 建筑标准层平面图 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 193 功能影响而导致 4 层以上的平面发生变化，而设置 2b则不能将教学楼的结构建立回字形，所以设立 2a 号防震缝把楼体划分成两个单体。1 号防震缝的一侧为综合楼，而此属于细腰形，此非常不利于抗震，所以在此处加高 3 号防震缝，进而可以消除受结构作用而导致在发生地震时受应力的影响被破坏。1.2 B 学校 B 学校共有教学楼（共四层）和食堂（共三层）以及体育馆和报告厅等建筑在于建筑的中部设立了 4 号防震缝，以此把学校分成东部和西部两个区域，西部是非教学楼建筑，能够设立防震缝把此区域分成五个独立的结构，而东部主要是教学楼，对此初步计划两个方案，即设两缝或四缝的方案，防震缝为两条时可以促使建筑的结构更加的完整，并在设立防震缝后构成了上中下的单体，上下还有连廊进行连接，且存在凹凸不规则性，而中间则是非常有利的“日”字形结构，能够提高抗震的水平，但左侧的单跨连廊，容易受地震的影响，所以需要运用合理的加强措施。通过综合的分析与探讨，最后确定使用稳妥性及安全性较高的四缝方案，此可以促使设缝后的单体各自带一部分连廊，总体较规则。1.3 C 学校 C 学校较大，主要有小学和初中以及食堂和体育馆等组成，而且学有地下车库，此选择较为重要的小学建筑区域进行为研究，此和 B 学校非常的相似，都是利用连廊把各个教学楼相连，整体的建筑体量大。最早设计使用七缝和九缝的两个方案，如图 1，通过对比分析表明，受建筑体量的影响，两种设缝的方案对比后说明增加设缝会增加单体的数量，此则不利于建筑的完整性，而且受汶川地震的灾后分析发现，设缝增加则有可能在极端的地震下提高各单元的碰撞机率，容易产生结构二次损伤，通过综合讨论验证决定使用七缝的设计方案，并且在设缝后，建筑形成了有利于抗震的回字形结构，还有一部分成为了独立的小结构单体。1.4 设缝原则 通过上述的建筑案例可以看出，利用防震缝可以把非常复杂的建筑结构进行重新的划分，进而促进抗震的能力加强，并把建筑简化成若干单体。具体的设缝原则应当依据下述内容：（1）在进行抗震缝的设计时，需要综合建筑楼层的平面布置和上部结果是否发生变化等重要的原因加以分析明确。（2）设立抗震缝适合在两侧的层数不同，质量刚度不同，细腰形抗震不利的位置。（3）设计时需要结合教学楼的平面特点，进而促使在设缝后可以把结构进下转变成利于抗震的回字和日字形。（4）传统建筑室外的连廊是单向单跨的框架时，在设计抗震缝后不适合形成单独的结构单元，尽量把其附属在主体上。（5）深入分析建筑的功能和效果，降低结构在罕见地震下发生碰撞的情况，对于抗震缝的数量要加以科学的设计。2 设立防震缝后的建筑单体结构特点分析 根据以上的设缝原则来设立防震缝，进而把学校的建筑进行整体的划分，形成具有较高的抗震能力的结构单元，并且还可以将大部分建筑进行简化，促使形成了规则性好的框架结构。但还有部分单体还是存在平面的不规则性。从 A 学校的结构即可以看出，由于单体的长度较长，高于 55m，存在平面超长的情况，而且在其南侧区域中存在凹凸的现象，并且已经快要达到 30%的标准限值，日字形角部和中部以及凹凸部位存在连接较为薄弱的情况。由 C 学校可知，单体结构除超长、回字形角部、连廊连接薄弱等情况外，还存在局部的单向单跨的框架，并且在楼板连接的薄弱区域容易受到较大的影响。另外，设缝后的一部分单体为穹顶的结构，并和教学楼的连廊相互呼应，则此则无法使用常规结构，为完整的呈现出建筑的效果，则需要根据壳单元开展设计，壳体的顶面和侧面有三个椭圆洞，此则造成壳体结构非常的复杂，只能在设计时使用有限元模式加以深入的分析。通过上述的分析表明，就算合理的设置了防震缝，其建筑的结构还会存在平面不规则的情况，并且需要针对梁板连接薄弱位置、单向单跨框架、平面超长等加以采取合理的抗震加强措施。3 对结构特点采取抗震加强措施分析 在对防震缝进行设计后，建筑还会存在不规则的中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 194 单体，所以在进行传统的计算分析外，还应当采取合理的针对结构特点的抗震加强措施。下述即针对不同的结构采取合理的加强措施，具体如下：3.1 单向单跨框架抗震加强措施 根据上述所分析总结的设缝原则为基础，针对连廊的单向单跨框架进行设置防震缝时，需要考虑到其不宜形成单独的单元，尽量和周边的相关主体建筑进和地连接。比如上述的学校中，西侧的连廊有单向单跨框架，而此容易出现抗侧刚度小、结构冗余小等情况，并且当构件出现失效时会导致出现结构的破坏，并对建筑的安全非常严重的影响，对生命安全产生威胁，所以需要针对此采取合理有效的加强，具体如下措施：1）针对建筑部分位置的抗震等级进行增加；2）在设计时选择科学合理的抗震目标，依据中震抗剪弹性和抗弯不屈服来进行详细的计算，并对承载力加以验证，保障建筑的结构承载力能够得到平衡。针对建筑中的重点位置相关的结构必须做到一定的安全储备，进而避免在发生灾害时产生非常严重的后果。3.2 楼板连接薄弱抗震加强措施 针对楼板来讲，其主要发挥协调的抗侧力变形作用，而且还参与了分配层内力的作用之中，对楼板的薄弱位置，当发生地震时受其往复的作用力而导致楼板出现了开裂、破坏的情况，所以需要对此加强处理。计算过程中需要把楼板定义成弹性膜，然后于中震不屈服环境下对其应力进行复核计算，双向地震时应当取最大的应力进行计算。根据楼板平面的内应力计算发现，平面内正拉应力低于 2f，进而说明了回字结构抗震效果更好。在建筑设计过程中，楼板运用 C30 强度的混凝土，抗拉 2.01MPa，楼板厚 150mm，并且使用了双层双向的配筋方案，经换算得出附加的单层配筋率为 0.5%。3.3 平面超长抗震加强措施 超长的单体建筑通常利用后浇带减少影响，进而可以减少温度的不利作用，但还要对温度应力进行计算。楼盖施工时会受季节的温差是月平均温度和混凝土终凝的温度差。而研究的学校处于月温最高时为30，最低-4，所以考虑为使用空调的情况，空调温度设定成 20，季节温差则为-10。通过与本建筑的施工期相结合，在施工时不需要考虑空调产生的影响，因此基于最差的环境取-34。其次，混凝土容易出现收缩变形的情况，而此则和施工的质量及添加剂、配合比等有较大的联系，所以要分析其可能出现的影响。由于混凝土结构带的裂缝特性而导致刚度出现了一定的下降，所以在对弹性开展相应的分析过程中，针对结构件的刚度也要考虑相应的折减。经过综合的考虑水化热、室内外、季节等温差的存在，而且浇筑时温度也有一定的变化，所以最终的计算温度为20。混凝土的徐变容易对其结构的温度应力产生非常大的影响，而且收缩与温度的变化均有较长的期限，所以受徐变影响，结构中实际的温度应力低于于弹性分析结果，此则应当考虑徐变存在有利的作用，当结构温度影响弹性分析时将徐变松弛系数引入，一般系数取 0.30.5 左右。考虑到恒载和活载以及温度的作用，当升温过程中的楼板受到压应力，而在降温时则出现拉应力，针对不同的组合工况，升温不具有控制的功能，而可以发挥控制作用的即工况如下：恒载（1.3）+活载（0.71.5）+降温（1.5）。例如 A 学校的超长单体楼板，其在温度下的应力如下图 2，图中显示楼板的拉应力出现了局部的突变区域，另外，于各自超长的方向低于 1.0N/mm2，板厚 130mm，局部连接厚 150mm，配筋为双层配筋，并在应力大的区域附加高标号的双层配筋。图 2 超长单体温度作用下楼板应力云图 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 195 3.4 特殊结构抗震加强措施 C 学校的部分区域为特殊的造型结构，针对此则需要利用计算模型来进行分析，利用计算软件对造型分析，确保造型结构的稳定性和承载力以及变形等符合标准。针对结构屈曲开展分析后设定屈曲的荷载工况为 AXIAL，以及设定静力非线性工况为 DEAD，并考虑分析 P-A 的效应情况。前 6 阶屈曲模态下屈曲因子为：第 1 阶 286.9440、第 2 阶 418.0668、第 3 阶 584.7494、第4阶601.18462、第5阶616.4450、第6阶751.0630，第 1 阶屈曲因子约 286，所以顶面屈服的荷载是286N/mm2，由此表明结构具有安全储备作用，并且稳定性高。经荷载标准组合分析壳体的单元工况下位的移极值，见表 1，从表中的结果发现，三个方向的位移控制工况和预估基本相符，而且各方向位移极值符合正常的标准。表 1 结构变形结果 方向 极值 挠跨比 控制工况 X 5.079mm 1：3879 1.2(D+0.5L)+(1.3EX+)+0.5(EZ-)-5.069mm 1：3886 1.2(D+0.5L)+(1.3EX-)+0.5(EZ-)Y 4.208mm 1：4682 1.2(D+0.5L)+(1.3EY：+)+0.5(EZ-)-0.017mm 1：9999 1.1(1.3D+1.5L)Z 2.528mm 1：7793 1.2(D+0.5L)+(1.3EX-)+0.5(EZ-)-6.827mm 1：2886 1.1(1.3D+1.5L)注：恒载（D）、活载（L）、双向地震左右作用（EX+、EX-、EY+、EY-）、竖向地震上下作用（EZ+、EZ-）、左右风荷载（W+、W-）。依据壳体的结果为基础，于壳体的主传力路径增加暗梁和提高配筋的标准，进而确保壳体的安全。4 结论 当下对于学校的建筑布置均采取现代的设计理念，并且趋于平面布置的综合化，但此容易导致结构的复杂性增加，此则需要提高防震的功能。在对建筑进行防震缝设计时，可以采取有效的措施，特别是针对一些防震性能较弱的部分，例如连廊结构、设缝单元的结构、控制设缝的数量等。并且在设立防震缝后，要求大多数的单元必须具有规则性的结构单元，进而利于抗震能力的提高。在设计抗震缝时，还要多方面的考虑不同的因素产生的影响，利用合理的措施进一步的提升建筑的抗震能力，提高建筑的质量。参考文献 1袁文章.医疗建筑结构的不规则性分析与对策J.中国医院建筑与装备,2018,19(02):94-97.2吴文峰.高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震方法探究J.江西建材,2022(08):110-112.3朱甜甜.某超高层结构含设备层的方案比选及抗震分析D.合肥:安徽建筑大学,2022.4罗钟山.布置粘滞阻尼器的不规则结构基于场地特征的抗震性能分析D.郑州:郑州大学,2022.5林珊.某平面不规则高层建筑的抗震设计及施工技术探讨J.福建建设科技,2016(05):28-31.6颜剑超.高层建筑结构设计中不规则问题与抗震措施分析J.砖瓦,2021(10):91-92.7毕大博.高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震措施J.建筑技术开发,2021,48(14):1-2.8李林徽.具有多项不规则条目的超高层建筑抗震分析J.建筑结构,2021,51(S1):667-671.9方育铭.城市区域灾害响应系统抗震韧性量化分析及提升策略研究D.武汉:武汉理工大学,2021.10黄彬辉.建筑平面不规则结构的动力特性与分析方法J.建筑科技,2019,3(06):15-18+25.11利明东.某复杂高层建筑结构基于性能的抗震设计与分析D.西安：西安建筑科技大学,2021.12杨骏超.某竖向不规则超限高层框架-剪力墙结构抗震性能分析与优化设计方案探讨D.南昌:南昌大学,2020.13郜志远,袁海梅.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用J.建材与装饰,2018(44):65-66.14朱昀.高层建筑结构设计中不规则问题与抗震措施分析J.住宅与房地产,2020(05):70.