某幼儿园结构设计
某幼儿园结构设计
杜学斌
摘要：本文以天津开发区某幼儿园结构右半部分设计过程中，着重对相关结构设计规范的条文，采取了有针对性的设计及构造作法，同时由于本工程具有多项不规则，对具体设计方法、提高结构延性方面采取了相应的技术措施。
关键词：幼儿园，不规则，延性
一、工程概况
本工程位于天津经济技术开发区，钢筋混凝土框架结构，主屋面结构板上皮为7.2m，中间部位设缝，缝左侧为较规则的三层框架；缝右侧平面、竖向均不规则，屋顶为由地面延伸至7.2m标高处的台阶式坡屋顶，局部为大跨度多功能厅，其顶板上皮标高9.0m。
本文着重讨论缝右侧不规则框架结构的设计过程，以期与同仁们共同研究。
二、设计背景
本工程属不规则结构，考虑到有大面积的斜板，所以选用PMSAP+弹性楼板进行计算，用ETABS复核。建模时利用上节点高进行模型构建，包括斜梁、斜板、楼梯、屋顶采光顶开洞等均尽可能真实；高出屋面的14.0m跨度多功能厅屋顶采用井字梁结构；屋顶造型采用轻钢结构（类似“平改坡改造”的作法），计算中仅考虑其荷载。从结果来看，两种模型均可较真实地模拟实际情况，而SATWE软件则会产生较大误差，例如将折梁误判为悬挑梁等。
三、计算要点
1. 地震作用与抗震措施
《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）第6.0.6条规定幼儿园建筑抗震设防类别应不低于重点设防类。相对于2004年版，本分类标准扩大了提高设防标准的范围，突出了对未成年人在突发地震时的保护。
本工程依据此条及3.0.3条第2款，按7度计算地震作用，按8度采取抗震措施。另外，本工程为Ⅲ类场地土，但不属于高层建筑范畴，因此抗震措施中的抗震构造措施未再提高。
2. 判断不规则程度
《建筑抗震设计规范》[1] 第3.4.1条：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。
此条面向建筑专业，可知抗震设计从来都不单是结构一个专业的事，建筑方案同样至关重要且负有责任，然而结构着手计算时，往往建筑方案已经得到各方认可，结构专业只能被动接受，不能主动协助建筑专业改进方案。本工程同样如此，所以在计算中着重判定结构的不规则程度，并采取相应的应对措施。
体形不规则类型分为平面不规则和竖向不规则，但具体何为“特别不规则”和“严重不规则”规范并未定量说明。根据文献[3]，如下情况可视为特别不规则：
（1）扭转位移比介于1.35～1.5之间且有2项一般不规则。
（2）竖向墙、支撑不连续且有2项一般不规则。
（3）共4项一般不规则。（一般不规则系指《抗震规范》中所列项目）
本工程共存在3项不规则类型，如下：
（1）扭转不规则：平面呈L形，导致刚性板假定时的扭转位移比大于1.2。
（2）偏心布置：相邻层质心相差较大。
（3）楼板局部不连续：有较多斜板，多功能厅处有大开洞。
根据上述原则，本工程不属于特别不规则结构,即便参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》也有同样结论。结构计算中采取的措施有：
（1）针对质量与刚度分布不均匀和扭转不规则，计算中考虑双向地震和平扭耦连影响。
（2）针对局部开洞、斜板，采取弹性楼板（弹性膜）模型。
3 楼梯参与整体计算。
《建筑抗震设计规范》第3.6.6条规定：计算中应考虑楼梯构件的影响。
这一新规定考虑了楼梯板的斜撑作用对主体的影响，以及楼梯间作为震时逃生通道的安全性要求。普通结构计算中，一般将楼梯作为非抗震构件，仅输入其荷载，未考虑斜撑作用，经分析，这种简化计算方法会造成如下结果。
（1）处于水平力传力路径上的普通两跑楼梯，简化计算方法低估了梯板、梯梁内力，低估了与休息平台板相连的框架柱子的内力，高估了楼梯跑方向楼层处框架梁的内力。
（2）处于水平力传力路径上的剪刀梯，楼梯板及梯梁内力被低估，楼梯周边构件内力被高估。
（3）不处于水平力传力路径上的楼梯斜撑作用不明显，简化计算方法误差不大。
本工程多功能厅地面至看台（3.6m标高）处的折线楼梯，借助多功能厅外的框架梁（上皮1.8米），向多功能厅内出挑，用以承载1.8m标高处的楼梯休息平台板。此楼梯有一定的斜撑作用，并非完全不在水平力传递路径上，因此在模型中予以反映，见下图。
图5.多功能厅通往看台的楼梯 图6.透视图（楼梯）
目前PKPM模型无法考虑斜板，计算时可以将斜板等代为等刚度的斜撑；ETABS可以直接输入斜梯板，能够相对真实地进行一体化计算。
4.延性设计
《建筑抗震设计规范》第3.5.4条规定：钢筋混凝土结构构件应控制截面尺寸和纵向受力钢筋与箍筋的设置，防止剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋的锚固先于构件破坏。
为满足强柱弱梁，梁截面不宜过大，为了满足梁本身的延性，又不能过于缩小梁截面。
对于梁、柱的强剪弱弯要求，规范中通过一系列抗震措施来保证。配筋率太小，会导致材料的浪费；受拉钢筋配筋率越大，则截面受压区越小，延性越差，实验数据说明了这一点，见上面图表[4]。因此，本工程兼顾经济性与延性要求，对照电算配筋，对截面进行调整，使底筋配筋率稍小于1.0%，支座负筋在1.0%~1.4%范围内。施工图阶段不对支座纵筋作单独的放大，以免形成强弯弱剪。
地震震害表明，相对于梁铰机制而言，柱铰机制更为常见。
规范中保证“强柱弱梁”的措施是：节点处梁端实际受弯承载力和柱端实际受弯承载力之间满足公式
实际上，强柱弱梁较难实现，作者认为，其原因在于现有结构软件在计算 时，未乘以楼板对梁承载力的放大系数 ， 大小视情况而定，一般在1.5～2.0之间，也就是说，为真正满足强柱弱梁，规范公式宜修正为
据国外分析成果[5]，柱、梁承载力比大于1.5时才能保证塑性铰基本出现在梁端，与修正公式中的 值相似。
综合上面的分析，在现有结构软件未放大梁承载力的情况下，本工程对梁支座负筋不作增配，人为增大柱配筋，放大幅度结合中震不屈服和PUSHOVER验算，见后文叙述。
钢筋应用在有用之处，任意加大梁负筋会造成梁剪切承载力、柱承载力的相对薄弱，有悖于延性设计原则。
5. 补充计算（验算）
鉴于幼儿园建筑的重要性及本工程的不规则性，采取下述补充计算（验算）。
（1）采用弹性时程分析进行多遇地震补充计算。
（2）中震不屈服计算。
（3）罕遇地震下的薄弱层变形验算(采用PUSHOVER方法)。
上述小震、中震、大震的计算（验算）结果如下：
（1）按多遇地震弹性时程分析得到的结果，小于按多遇地震振型分解反应谱法计算的结果，反应谱法基底剪力无需放大，原计算结果安全。
（2）中震不屈服计算结果显示，水平构件配筋均小于按多遇地震反应谱法计算的结果，柱配筋增大较多，配筋率约在1.5～2%，说明将多遇地震下的柱配筋适当放大是有道理的。
（3）罕遇地震下的薄弱层变形验算结果均满足规范要求。在柱铰先于梁铰出现的部位，减小梁高，当梁因配筋率或挠度大而无法减小高度时，则将柱纵、箍筋或柱截面再做适当提高，实配钢筋数量视PUSHOVER计算结果而定。
6.其它
（1）控制抗震缝位置的各点扭转和位移，避免两部分震时发生碰撞。
（2）通过察看各震型，找出局部震动和刚度突变部位，例如高出主屋面的多功能厅与主屋面的连接部位在施工图时予以加强。
（3）一般工程的位移比是基于刚性板假定下的，但本工程体型复杂，同一振型下各部位振动幅度、方向不同，因此在弹性板假定下手算局部位移角、位移比，确保无虞。
（4）在施工图阶段，逐个复核柱子计算长度系数和加密区范围。
（5）重视非结构构件设计。
在 “以结构主体为本”的设计理念中，首先保证主体结构安全，楼梯间、女儿墙、填充墙等非抗震构件在设计人头脑中的地位则相对次要。然而，按“以人为本”的设计思想，不论是抗震构件还是非抗震构件，均应保证同样的安全度，在主体安全的前提下，非抗震构件亦不应伤人或阻碍逃生。在历次地震包括汶川大地震中，填充墙、女儿墙坍塌伤人的情况屡见不鲜，本工程有针对性地采用了现浇混凝土女儿墙作法。
四、结语
借此文与同行们相互交流，共同进步。
参考文献
(1) GB50011-2001，建筑抗震设计规范，第8页，北京：中国建筑工业出版社，2001
(2) GB50010-2002，混凝土结构设计规范，北京：中国建筑工业出版社，2002
(3) DBJ/T 15-46-2005，广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)补充规定，北京：中国建筑工业出版社，1998
(4) 沈聚敏，翁义军，钢筋混凝土构件的刚度和延性，清华大学抗震抗爆工程研究室科学研究报告集第3集.钢筋混凝土结构的抗震性能，北京：清华大学，1981
(5)方鄂华，建筑结构体系概念设计，北京：中国建筑工业出版社，1995
