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文 献 综 述 1 国内外研究现状 在我国加快建设社会主义现代化的进程中，房地产事业和基础建设事业迎来了蓬勃发展，各种民用建筑开始大量使用钢筋混凝土框架结构，尤其是多层建筑，这与钢筋混凝土框架结构的特性密切相关，钢筋混凝土框架结构与砌体结构相比较具有承载力大、结构自重轻、抗震性能好、建造的工业化程度高等优点；与钢结构相比又具有造价低、材料来源广泛、耐火性好、结构刚度大、使用维修费用低等优点[1]。因此，这决定了我国多层框架最常用的结构形式是钢筋混凝土框架结构。虽然我国应用时间比较短，但目前钢筋混凝土框架结构在我国的发展势头非常好。 我国位于欧亚环地震带交汇部位，是一个地震频发且强度高的国家。近年来发生了汶川地震、玉树地震、芦山地震等强烈地震，破坏了大量房屋建筑，造成了巨大的损失。为了预防地震灾害，减轻地震损失，我国加强了地震预报、工程抗震和地震控制方面研究，其中工程抗震认为是一项有效的措施，其目的是寻求最合理的抗震设计，保证建筑物的安全。对于在工程中大量采用的混凝土框架结构,其抗震设计是依据抗震设防烈度通过地震作用的取值和抗震措施的采取来实现结构抗震设防目标[2]。在发生过的历次大地震中，中小学教学楼建筑等受到了不同程度的破坏，严重危害到中小学生的生命安全。因此四川汶川大地震之后，《建筑工程抗震设防分类标准》中将“中小学校建筑的抗震设防类型提高为不低于重点设防类，即乙类建筑”[3]。培养。同样在某些地区的中学教学楼建筑虽然采用框架结构，但是抗震等级不达要求，设计不合理，存在着极大的安全隐患(特别是2010.4.14青海玉树地震，使这一问题暴露地更加明显)。教学楼设计不合理还对教育设施的管理、学生的日常生活带来极大的不便利 [19][20]。 |
2 混凝土框架结构
框架结构是指由梁和柱以钢筋相连接而成，构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。框架结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用，一般用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、空心砖或多孔砖、浮石、蛭石、陶粒等轻质板材砌筑或装配而成[4]。
框框架建筑的主要优点：空间分隔灵活，自重轻，节省材料，抗震性能较好；具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；采用现浇混凝土框架时，结构的整体性、刚度较好，设计处理好也能达到较好的抗震效果，而且可以把梁或柱浇筑成各种需要的截面形状[5]。但是，框架结构体系也存在一些缺点：框架节点应力集中显著；框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破坏。因此，在进行建筑结构设计时，应该格外重视抗震设计方面的内容与要求。
3 混凝土框架结构的抗震设计
3.1地震对混凝土框架结构的破坏
梁、板、柱组成了混凝土框架结构的承重体系。地震使承重结构承载力不足或变形过大，引起的框架梁、柱的破坏和填充墙的破坏、结构丧失整体性的破坏和地基失效破坏[6]。
3.1.1 框架柱的破坏
发生地震的时候，框架柱的破坏形式主要有：(1)上下柱端出现水平裂缝和斜裂缝，有时也有交叉斜裂缝，混凝土局部压碎，梁端形成塑性铰，发生柱端弯剪破坏。 (2)柱身多出现交叉斜裂缝或S形裂缝，箍筋屈服崩断，发生剪切破坏。(3)地震时房屋发生扭转，角柱承受最大剪力，同时又受到双向弯矩作用，而约束较小，故发生角柱破坏。(4)当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成H/blt;4 (H为柱高，b为柱截面的短边边长)的短柱。短柱吸收较大的地震剪力，常发生剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断，造成短柱破坏[7]。
3.1.2框架梁的破坏
框架梁的震害多发生在梁端。在地震作用下，梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉斜裂缝。在梁负弯矩钢筋切断处，由于抗弯能力削弱也容易产生裂缝，造成梁剪切破坏。如果设计时未考虑水平地震的往复作用，在梁端产生的附加正负弯矩将使梁抗弯强度不足而产生正截面破坏。另外，如果梁主筋在节点内锚固不足，在反复荷载作用下易被拔出。
3.1.3 框架填充墙的破坏
在地震发生时，框架结构的砖砌填充墙破坏较为严重,一般7度就出现裂缝。端墙、窗间墙及门窗洞口边角部分裂缝最多。9度以上填充墙大部分倒塌。其原因是在强烈的地震作用下，框架的层间位移较大，因填充墙砌体的极限变形很小，在往复水平地震作用下，会产生斜裂缝甚至倒塌。混凝土框架结构的变形为剪切型,下部层间位移较大，因此填充墙的破坏在房屋中下部几层较严重[8]。
3.1.4结构丧失整体性而造成的破坏
结构构件的共同工作主要是依靠各构件间的连接及各构件间的支撑保证。然而在地震作用下，若节点强度不足、延性不够、锚固质量差就会使结构丧失整体稳定性而造成破坏。
3.1.5 地基失效引起的破坏
在强烈的地震作用下，混凝土框架结构建筑物上部本身无损坏，但由于地基承载力的下降或地基土液化造成混凝土框架结构建筑物倾斜、倒塌而破坏。
3.2 混凝土框架结构抗震设防目标
近年来，国内外抗震设防目标的发展总趋势是要求建筑物在使用期间对不同频率和强度的地震应具有不同的抵抗能力，即“小震不坏，中震可修,大震不倒”[9]。这一抗震设防目标也为我国抗震设计规范所采纳，我国《建筑抗震设计规范》[11]中抗震设防目标如下：
（1）在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；
（2）在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物可能有一定损坏但不致危及人民生命和生产设备的安全，经修理或不需修理仍可继续使用；
（3）在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及人民生命和生产设备安全的严重破坏。
基于上述抗震设防目标，建筑物在使用期间对不同频率和强度的地震应具有不同的抵抗能力。这样按照现行规范设计的混凝土框架结构在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震（多遇烈度）影响时，建筑物基本上处于弹性阶级，不受损坏；在遭受本地区规定的设防烈度(基本烈度)的地震影响时，建筑物将进入弹塑性状态，建筑物可能有一定损坏但不致危及人民生命和生产设备的安全，经修理或不需修理仍可继续使用；在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震（罕遇烈度）影响时,建筑物不致倒塌或发生危及人民生命和生产设备安全的严重破坏。
4 中学教学楼设计
4.1 建筑设计
在中学校园的总体环境布局中，教学楼应该位于学校的中心，在风格上要与周围环境相协调。正确处理动静结合始终是设计的重点，划分明确的功能分区显得尤为重要。教学楼周边分为行政教学区、文体运动区、生活服务区。每个区均有单独出入口，便于与外界联系，并以学生休闲空间及绿化区等穿插其间。强调教学、生活、康体的三者关系以及各部分用地及环境的均好性、协调性和便捷性[9][12]。
4.2 结构设计
在结构上采用施工较为方便的统一柱面统一层高的设计。统一柱面可以使教室布置灵活，规整整齐；便于合理的安排空间。统层高便于各种教学设备的安装，不会出现因为层高不同而改变其安装位置。在施工方面，教学楼采用梁板柱现浇的方式，加强教学楼的整体性和抗震性[13][14][15]。
4.3 抗震设计
本次设计的中学教学楼在南京地区，抗震设防烈度为7度，根据我国现行《建筑抗震设计规范》规定，在地震烈度为6度及其以上的地震区内，建筑物都应按抗震设防设计[11]，而且建筑物层数6层，因此设计的中学楼结构体系可以采用混凝土框架结构的延性设计来提高抗震强度。设计要点有：第一，在设计延性框架时，要控制塑性铰，使之在梁端出现(不允许在跨中出现塑性铰)，尽量避免或减少柱子中的塑性铰，称之为强柱弱梁；第二，防止构件过早出现剪切破坏，即要求强剪弱弯；第三，必须保证各构件的连接部位不过早破坏，这样才能充分发挥构件塑性铰的延性作用，即要求强节点强锚固，以此保证建筑物能“小震不坏、中震可修、大震不倒”[9]。
框架结构的构造要求是建筑抗震概念设计的内容。在抗震结构中，要设计强柱弱梁的延性框架，主要由梁构件的延性实现框架的延性，所以要设计具有良好延性的框架梁；要保证构件的延性应限制纵向受拉钢筋的最大配筋量和受压钢筋的最小配筋量；在柱和框架节点中配置必要的箍筋，除了起抵抗剪力作用外，特别是在柱上下端和节点加密箍筋，对约束截面混凝土，使截面混凝土呈三向受压状态，防止纵向钢筋屈曲，提高柱延性。节点配箍筋不足会产生重要震害，所以对框架和节点的体积配箍率应有最低要求。在梁端塑性铰区存在剪力和弯矩作用，在地震作用下，不仅有交叉裂缝，还有竖向裂缝，混凝土集料的咬合作用会逐渐丧失，而主要依靠箍筋和纵筋的销栓作用，因此对加密区的配筋应有严格要求。在塑性铰区，由于出现交叉裂缝，必须配有足够数量的箍筋，其直径、间距和肢距必须满足对混凝土约束的要求[9~10]。
5 结语
在建筑楼的设计上，因其所容纳的学生为中学阶段的学生，其学校建筑应该充分反映出学生朝气蓬勃和步入成熟的性格特征，丰富校园环境氛围和城市人文景观。在设计理念上立足简洁、生态、开敞的原则。在建筑立面造型上,根据学校的性质、所处环境、历史文脉等因素并充分结合学生的生活方式，社会流行的时尚和审美倾向，充分体现教学楼高雅品位和独有的个性[17][18][21][22]。在满足以上要求的基础上，还要做到合理规划布局，加强结构整体稳定性，严格按照抗震规范进行设计工作，避免在遭受地震等不可抗力的灾害时，造成不可挽回的损失。
参考文献
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[2] 丰定国，王社良.抗震结构设计[M].武汉工业大学出版社，2001（9）.
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[4] 西安建筑科技大学等.房屋建筑学[M].北京:中国建筑工业出版社，2006年4月.
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[6]张志俊.论砼框架结构抗震设计[J].黄冈职业技术学院学报,2011,13(01):99-102.
[7]周碧华.框架结构抗震分析[J].中国科技财富,2009,(000)022:61-62.
[8]张谷琼.混凝土框架结构抗震设计探析[J].科技创新与应用,2012(09):183.
[9] 腾智明,朱金铨.混凝土结构及砌体结构(上册)(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[10] 腾智明,朱金铨.混凝土结构及砌体结构(下册)(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[11]建筑抗震设计规范,GB50011 2001.[S]
[12] GB/750001-2001,房屋建筑制图统一标准[S].
[13] GB50010-2010,混凝士结构设计规范[S].
[14]王小洪等,建筑CAD-PKPM软件应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2006,5-15.
[15]黄存汉.建筑结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.8-30.
[16]朱慈勉.结构力学[M]. 北京:高等教育出版社,2004.176-189.
[17]贾莉莉等,土木工程专业毕业设计指导[M]. 合肥:合肥工业大学出版社，2006.10-35.
[18] GB/T50105 2001,建筑结构制图标准[S].
[19]同济大学等，房屋建筑学[M](第四版). 北京:中国建筑工业出版社，2005.49 -81.
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[21] Finn Orfano . Fundamentals of the Strength of Materials[N]. Lamar Stonecypher,2009,8,13.
[22] Finn Orfano . How Decorative Concrete is Used[N]. Lamar Stonecypher,2009,12,7.
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