耐震教学建筑物结构设计过程简介

1.1求解结构动力特性

在求解结构动力特性时，要对结构体系、抗侧力构件断面和布置不断优化。

把第一振型控制为建筑物原始刚度最大的长方向、把扭转效应尽量降低，在此基础上进行建筑方案比选和优化。 

1.2优化构件断面设计

通过上述工作，在改善结构自震特性的基础上，减小结构自重，降低地震反应；

求解构件组和内力，优化构件断面设计，再重新进行结构动力分析。

对初选构件强度、刚度和结构变形进行验算，反复多次，初定构件断面。

1.3建筑物耐震性能评估

将该建筑物推至倾复或目标位移，观察构件塑性铰出现的顺序和位置。

通过调整柱断面，控制塑性铰仅在框架梁端部出现，实现结构体系在梁端出现塑性铰后仍然是静定或超静定的目标，即大震不倒的目标。

通常用弹塑性有限元结构分析程序中的Pushover方法完成这一设计过程。实现这一目标表明建筑物在遭遇破坏性地震时，不会倒塌。

建筑物耐震性能评估非常重要，目前国内设计院作耐震性能评估还不普遍，或者没能实现所谓的强柱弱梁结构耐震设计目标。

汶川5.12大地震中倒塌和破坏的建筑物中，还没发现梁端出现塑性铰的实例,这值得认真反思。

2 十八班中、小学教学楼建筑方案设计简介

以单面外廊式和内廊式二种不同平面布置的二栋三层教学楼为研究对象。

研究结果表明：单面外廊式气候适应性好，耐震性能差，不适合高烈度地震区；

内廊式耐震性能好，用适度的通透空间改善通风，也可以较好地适应湿热地区气候。

为改进其耐震性能，增大延性即耐变形能力，在本方案中结构采用钢管混凝土或工字钢柱、工字钢梁、组合楼板、岩棉芯复合压型钢板外墙和内隔墙；

横向和纵向均加设柱间支撑，以承受侧向力，并作为强地震作用下结构安全的第二防护系统。

2.1 单面外廊式教学楼方案

在华南和华东地区多采用外廊式教学楼。该类型教学楼采光、通风好，每栋楼之间相互干扰小，适应湿热气候。

缺点是建筑物宽度小，横向抗侧力刚度小，多为三柱式钢筋混凝土框架结构。结构第一振型为横方向平动、甚至扭转，在遭遇破坏性地震时耐震性能差，延性差，耐变形能力小，甚至倒塌。用支撑系统改善结构自震特性较困难。

单面外廊式教学楼不适合在高烈度地震区应用。限于篇幅，相关结构分析结果省略。

⑴ 逃生通道应宽敞、便捷，每个教室门至楼梯间距离大致均等：  走廊3.6m宽，可供6股人流疏散,首层设6个宽度为1.8m的出入口。每3个标准教室内138人,则楼层Time＝138÷37÷3＝1.2分,即72秒。首层Time=138÷43÷6＝0.32分,即19秒。

⑵ 增大教学楼横向宽度到19.6m：进深按8m、3.6m、8m跨度布置4根框架柱，以增大横向抗侧力刚度。从6轴—10轴间为通透、开敞空间，以改善通风、采光和作交流休息场所。

⑶ 纵、横向均匀设置柱间支撑：  横向在A—B、C—D轴线间，沿1、3、6、10、13、15轴设置;纵向在4—5、11—12轴线间，沿A、B、C、D轴设置。            功能相同的房间尽量上、宜沿中轴线对称布置，使房屋质量中心和几何中心尽可能接近，减少偏心，降低振动时的扭转效应。

建筑外观突显结构稳定、安全、简约、美观；

2.2.2求解结构动力特性结构动力特性较单面外廊式3层教学楼有了明显改善。

第1振型为纵向平动； 

第2振型为楼层平面内弯曲和横向平动；

第3振型出现了轻微扭转

第4振型为横向平动、并伴有楼层平面内弯曲；

第5、6振型为纵向平动、楼层平面弯曲并伴有扭转分量；

第7振型为纵向平动

第8振型为平动、纵向梁楼层平面外3个反弯点、出现扭转分量

第9振型为纵向梁楼层平面外多个反弯点

第10振型为局部振动

第9、10振型为A轴柱出现多个反弯点、多处局部振动

第11振型为A轴柱出现多个反弯点、多处局部振动； 

第12振型为D轴柱出现多个反弯点、纵向平动振动；

第13振型为纵向振动；

第14振型为纵向振动，柱出现反弯点；

第15振型为多处框架梁局部振动；  

  

 第16振型为多处框架梁局部振动；

第17振型为柱子振动；

      

 第18振型为柱子振动；

    具有任意刚度和质量分布的三维结构，在X向地面加速度作用下的动力方程如式4.2.3-1所示：

是由0与1构成的列向量，0表示中对应元素对不产生贯性力，1产生。Y向亦然。将换成就是三维反应谱动力方程。

设防类别和烈度：按重点设防类，简称乙类；设防烈度不低于9度，地震作用按9度，设计基本地震加速度值为0.4g

按上面的设计条件求解地震反应和优化构件断面设计，并初定构件断面。过程和计算结果略。

2.2.4教学楼耐震性能评估

采用静力非线性Pushover方法分析[2] ，是对结构的承受强地震作用和抗倒塌性能进行评估的一种有效、便捷的方法。

简言之，该方法就是沿计算模型高度推，使其侧移至预定位移或者将其推倒，观察塑性铰出现的位置和顺序，以建筑物耐受侧移能力来评估其耐震性能。

下面是静力非线性Pushover分析的部分结果：

A、B、C、D 、1、2、3、4 轴框架塑性鉸分布图和对应的平面内弯矩图。

图2.2.4-1 整体模型塑性鉸分布图

图 4.2.4-2   A轴框架塑性鉸分布图 

图 2.2.4-3   A轴框架平面内弯矩图 

图 2.2.4-4       B轴框架塑性鉸分布图

图 2.2.4-5          B轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-6  C 轴框架塑性鉸分布图 

2.2.4-7  C 轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-8  D 轴框架塑性鉸分布图

图 2.2.4-9  D 轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-10   ① 轴框架塑性鉸分布图 

图 2.2.4-11  ① 轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-12   ②  轴框架塑性鉸分布图

图 2.2.4-13   ②  轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-14   ③  轴框架塑性鉸分布图

图 2.2.4-15   ③  轴框架平面内弯矩图

图 2.2.4-14   ④  轴框架塑性鉸分布图

图 2.2.4-15   ④  轴框架平面内弯矩图

分析结果表明，塑性鉸全部出现在框架梁端部，柱子没出现塑性鉸，该教学楼已具备了遭遇强地震作用时不倒塌的耐震性能。至此，建筑方案设计、结构分析、优化和性能评估过程就结束了

3.1 该建筑方案可发展性规模是按18班设计的，基本满足灾区小学校教学的基本需要，不需要另建办公楼。南、北布置2栋，将南侧一栋楼梯间调到A—B轴线间，就可以用连廊将它们连接起来，组成一所院落式的36班教学楼组团。将教室进深调为9.6m,即可作为中学教学楼,将层数调为4层或5层,亦可作为大学教学楼

3.2工厂化预制程度高、施工进度快、经济

 结构构件采用工厂预制、梁柱连接节点用高强螺栓连接、组合墙板采用螺栓连接，方便在工地拼装。可批量生产和安装、施工进度快。湿作业少、工程质量可控制。