教學樓建筑結構設計要點探討

關裕彤

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

現階段，我國的經濟快速發展，對學校教學樓建設的要求也發生了很大的變化，強調經濟適用性、布局合理性、視覺美感。其次，合理選擇結構的材料和受力系統，充分發揮所用材料的作用是必要的，使結構具有抵抗結構自重、使用荷載、風荷載和地震作用等各種自然功能的能力[1]。教室的空間通常都是比較大的，框架結構設計的建筑可以滿足這一要求，所以，框架結構設計廣泛應用于教學樓設計中。教學樓建筑如圖1 所示。

圖1 教學樓建筑

1 結構設計的重要性

為保證結構的整體穩定和安全，工程設計人員和工程人員應充分考慮其整體的設計水準和質量。在工程建設中，地質條件、水文、水利環境、周圍環境等因素能否滿足工程建設的后期需求，對于建筑業和房地產的后期運營都有很大的影響。為保證建筑物的整體穩定性和安全性，有關的設計和施工人員都要根據現場收集的現場環境調查報告對其進行相應的分析，并將其提交給第三方機構進行安全性、穩定性和完整性評價，以保證工程的科學和可行性。在保證施工安全的同時，還要對整個建筑的結構和方案的執行進行系統的優化。相關的文件顯示，任何與建筑結構設計有關的變更，都要提交給設計院，由設計院出具書面同意后，才能做出相應的修改，堅決杜絕施工方以施工難度大為由拒絕實施，或者對建筑結構方面的變更。同時，有關設計者應到工地進行工程勘察，了解有關施工單位的施工流程和施工中遇到的困難。全面理解后，在進行結構設計時要全面考慮，保證施工單位能安全、有效地實施。與此同時，還必須制定預算計劃，以便在發生問題時進行適當的調整和改進。為保證工程質量及相關工程的進展，有關部門應定期或不定期地進行監督、檢測，并制定相應的補救措施[2]。教學樓建筑結構如圖2所示。

圖2 教學樓建筑結構

2 實例的解析

一學校內的一棟教學樓建筑工程，地面7 層，標準層高為3.4m。本項目抗震設防烈度為Ⅶ度，抗震設防類別為重點設防類別（乙類）；結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1[3]。項目效果圖如圖3 所示。

圖3 項目效果

2.1 地基和樁基的設計

本工程采用預制管樁基礎，樁徑500mm，樁長約20~25m，樁端持力層為第4 層粉質黏土層。

2.2 構造布局

（1）基本的設計原理。鑒于建筑需要滿足教育的大型建筑施工需求，結合業主對建筑物的功能需求，提出了建筑的主要結構形式，即鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。框架-剪力墻結構平面布置如圖4 所示。

圖4 框架-剪力墻結構平面布置

（2）剪力墻的結構。根據有關混凝土結構設計規范，剪力墻應盡量避免長度過長，應在建筑物、樓梯、電梯等平面形狀變化較大的地方進行，剪力墻長度越大，剛度越大，地震力也越大，因此，剪力墻盡量不要太長。在實際項目中，可以通過設置連梁將剪力墻分段，從而降低墻體的剛度以及防止墻體的剛度發生突變。為了保證建筑結構具有足夠的抗扭強度，使剛心能與平面形心一致，可以在建筑物周圍的對稱區域內均勻分布剪力墻[4]。剪力墻如圖5 所示。

圖5 剪力墻

（3）建筑結構的選擇與設計。由于該項目的主體結構是現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻，因此，為改善框架-剪力墻的協調性能，使結構的整體剛度和結構的橫向剛度得到改善，按照建筑的布局，在Y 方向上設置二次梁。樓板的厚度是按照跨距來計算的[5]。

（4）一種新型的剪力墻結構。盡管可以首先破壞剪力墻間的梁柱，但是在實際設計中，連梁作為剪力墻的連接點，并將地震力分配給連梁。為了使連梁在屈曲之前達到較強的剪力和較弱的強度，采用整體規則調節的方法，對計算模型進行了修正。在設計時，應考慮在連續梁失效不會對豎向荷載產生顯著影響的前提下，利用獨立墻支的計算圖表，對二次頻繁地震的破壞進行分析[5]。

（5）總體的計算結果，PKPM 的計算結果顯示，當水平力達到一定水平時，底層剪力墻所承受的傾覆彎矩超過50%。對柱墻和聯結梁的斷面進行調整，優化了配筋。在此基礎上，采用不同的混凝土強度等級及不同的構件截面，對框柱、剪力墻的軸壓比進行調節。采用不同的板厚和梁高，達到了設計的目的[5]。

2.3 樓板的設計

為了確保樓板的穩定，需采用厚度0.1m 以上的現澆型鋼筋混凝土板，增加各層的橫向剛度，提高框架剪力墻的強度，提高樓板的抗震性能。在對樓板結構進行設計的時候，必須確保混凝土的強度不低于C30，并且使用雙向雙層配筋，并且要確保其配筋率大于0.20%，與此同時，在框架剪力墻的混凝土結構設計中，要添加1%的鋼纖維，以增強混凝土結構的強度，增強樓板的抗壓能力。在進行樓面開口時，要注意不要開口太大。如果需要在地面上設置升降機，那么混凝土墻體就應該采用圓筒結構，這樣就可以減少地面的應力。

2.4 強化下部，弱化上部

為了確保底部大空間的整體結構具有合適的剛度、強度、延性和地震性能，需要在底部的基礎上，盡可能地增強底部主體結構的剛度，削弱頂部結構的剛度和變形特性。可以采取如下措施：①和建筑專業人員商量，盡量多地讓剪力墻落到地面，有需要時，還可以只在下面增加一部分剪力墻（剪力墻不伸出地面）。除了中心管如樓梯間、升降機等可設于下端之外，最好兩邊都有一面落于地面的剪力墻，這無疑會極大地提高底層的剛性。②在下層部分，增加落地剪力墻的厚度，對于沒有落地的剪力墻，則應盡量增加其間隔，使其變薄，既可以降低混凝土的使用量，又可以降低其剛度。③對于具有過渡層的建筑，在過渡層的上部和下部的剛性比值必須加以控制。通過對樓層高度進行提升，可以對剛度比進行直接的改善。然而，通常下面層的空間比較大，層高也比較高，而上面的層高比較低，這就導致了剛度比的增大。如果能夠在滿足建筑專業要求的情況下，增加樓層高度，這樣就可以使剛度比變得更小。④避免在剪力墻上出現過多的孔洞，以避免對墻體的剛度造成過大的弱化。⑤對底層剪力墻或底層柱提高混凝土強度等級，使結構得到增強[6]。

2.5 工程設計中應考慮的問題

方案的選擇和方案的構思：依據建筑物的功能要求，制定科學、合理、經濟、使用的結構設計。為了保證結構系統能夠承受一定的應力、簡單的力傳遞、多條安全的線路，并能有效地提高建筑物的結構和內部的冗余，再引進超靜定結構和抗連續坍塌的設計理念，以保證方案的選擇是合理的。地震作用的判定：一般情況下，在給定水平力時，由于柱子截面的差異，其結構形式也就不同，因而，受力比例影響的影響程度也就不同。因此，在實際設計中，柱截面和剪力墻的設置都要根據地震傾覆彎矩比例進行調整。剪力墻的設置：在實際的剪力墻設計中，應該考慮到框柱和剪力墻的共同影響。在總體計算達到要求的情況下，存在過擬合、超軸壓比等問題，使設計中的重復計算變得十分困難。在混凝土結構設計中，由于剪力墻不能完全穿過大樓，造成結構的剛性突變。為了保證剪切力的可靠傳遞，對樓面進行澆筑，確保厚度大于10cm，相鄰的上部樓板立柱必須一致。為防止塑性鉸過早發生，必須采取相應的措施，以改善其變形性能[6]。

2.6 剪力墻抗震布局和布設

開展建筑抗震構造設計當中，重點是需將框架剪力墻抗震構造設計做好。對框架剪力墻布設、布局還有施工質量等而言，會對于建筑項目抗震成效產生直接影響，所以應當將剪力墻布局以及設置做好。通常而言，需要把剪力墻設置于平面構造中容易產生變形的區域。

除此之外，開展結構設計工作當中，還應當重視下述3 個方面準則：①剪力墻應當均勻設置，而且最好是對稱勻稱布局。當前，為使得建筑構造的穩定性以及安全性獲得提升，通常會將剪力墻布設于建筑構造發生變形部位以及建筑物中產生較大豎向載荷的位置。而且，在開展剪力墻設置的時候，還應當遵守雙向對稱均勻分布的準則。②開展墻肢截面設計的時候，最好需要確保截面形狀是規則可靠的，而且截面不可過于繁雜。假如建筑某些形狀結構上存有變化不定以及凹凸不平等情況，則最好在構造凸出部位布設相關剪力墻，從而能夠使得建筑構造抗側剛度有效提升，進而對于構造抗震性能進行改善[7]。還有，應當對于剪力墻的密度以及數目進行較好控制。因為剪力墻將會占據到建筑物中一定空間，所以在開展剪力墻布設的時候，必須得將剪力墻密度以及數目控制好。開展結構設計工作的時候，在使得建筑整體抗震性能需要已經滿足基礎之上，還需盡可能使得剪力墻密度以及數目降低，從而能夠使得建筑物空間應用率獲得提升，提省群眾居住以及生活的舒適度。③應當使剪力墻構造上延展性獲得有效提升。因此需要相關設計工作人員在開展剪力墻長度設計當中應當做好全面思考，從而使得剪力墻延展性獲得提升。通常而言，能夠把同一剪力墻劃成多個短小剪力墻，進而使得建筑物抗震設計的質量得到提升[7]。

3 結語

教學樓框架剪力墻結構可以簡化施工流程，加快施工進度，節約施工費用，確保施工質量。在教學樓建筑中，框架-剪力墻結構是一種比較常用的結構形式，應進一步推動教學樓建筑的發展。注重在具體的工程設計中通過大量的實踐探索與研究，總結在實踐中的經驗，并不斷地進行創新，以達到更好的經濟效益和技術指標。在進行框架剪力墻結構的設計時，首先要對其進行基本的理論研究，然后通過對其進行分析和檢驗，從而達到更好的設計效果。同時，合理的平面及豎向布局能夠使整個建筑成為一個很好的抗震系統，因此，在進行建筑設計時，需要對建筑進行持續的研究，并對各種方案進行對比，盡可能地制定出最優的技術方案，以確保建筑的安全及經濟。