关裕彤

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

现阶段，我国的经济快速发展，对学校教学楼建设的要求也发生了很大的变化，强调经济适用性、布局合理性、视觉美感。其次，合理选择结构的材料和受力系统，充分发挥所用材料的作用是必要的，使结构具有抵抗结构自重、使用荷载、风荷载和地震作用等各种自然功能的能力[1]。教室的空间通常都是比较大的，框架结构设计的建筑可以满足这一要求，所以，框架结构设计广泛应用于教学楼设计中。教学楼建筑如图1 所示。

图1 教学楼建筑

1 结构设计的重要性

为保证结构的整体稳定和安全，工程设计人员和工程人员应充分考虑其整体的设计水准和质量。在工程建设中，地质条件、水文、水利环境、周围环境等因素能否满足工程建设的后期需求，对于建筑业和房地产的后期运营都有很大的影响。为保证建筑物的整体稳定性和安全性，有关的设计和施工人员都要根据现场收集的现场环境调查报告对其进行相应的分析，并将其提交给第三方机构进行安全性、稳定性和完整性评价，以保证工程的科学和可行性。在保证施工安全的同时，还要对整个建筑的结构和方案的执行进行系统的优化。相关的文件显示，任何与建筑结构设计有关的变更，都要提交给设计院，由设计院出具书面同意后，才能做出相应的修改，坚决杜绝施工方以施工难度大为由拒绝实施，或者对建筑结构方面的变更。同时，有关设计者应到工地进行工程勘察，了解有关施工单位的施工流程和施工中遇到的困难。全面理解后，在进行结构设计时要全面考虑，保证施工单位能安全、有效地实施。与此同时，还必须制定预算计划，以便在发生问题时进行适当的调整和改进。为保证工程质量及相关工程的进展，有关部门应定期或不定期地进行监督、检测，并制定相应的补救措施[2]。教学楼建筑结构如图2所示。

图2 教学楼建筑结构

2 实例的解析

一学校内的一栋教学楼建筑工程，地面7 层，标准层高为3.4m。本项目抗震设防烈度为Ⅶ度，抗震设防类别为重点设防类别（乙类）；结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1[3]。项目效果图如图3 所示。

图3 项目效果

2.1 地基和桩基的设计

本工程采用预制管桩基础，桩径500mm，桩长约20~25m，桩端持力层为第4 层粉质黏土层。

2.2 构造布局

（1）基本的设计原理。鉴于建筑需要满足教育的大型建筑施工需求，结合业主对建筑物的功能需求，提出了建筑的主要结构形式，即钢筋混凝土框架-剪力墙结构。框架-剪力墙结构平面布置如图4 所示。

图4 框架-剪力墙结构平面布置

（2）剪力墙的结构。根据有关混凝土结构设计规范，剪力墙应尽量避免长度过长，应在建筑物、楼梯、电梯等平面形状变化较大的地方进行，剪力墙长度越大，刚度越大，地震力也越大，因此，剪力墙尽量不要太长。在实际项目中，可以通过设置连梁将剪力墙分段，从而降低墙体的刚度以及防止墙体的刚度发生突变。为了保证建筑结构具有足够的抗扭强度，使刚心能与平面形心一致，可以在建筑物周围的对称区域内均匀分布剪力墙[4]。剪力墙如图5 所示。

图5 剪力墙

（3）建筑结构的选择与设计。由于该项目的主体结构是现浇钢筋混凝土框架-剪力墙，因此，为改善框架-剪力墙的协调性能，使结构的整体刚度和结构的横向刚度得到改善，按照建筑的布局，在Y 方向上设置二次梁。楼板的厚度是按照跨距来计算的[5]。

（4）一种新型的剪力墙结构。尽管可以首先破坏剪力墙间的梁柱，但是在实际设计中，连梁作为剪力墙的连接点，并将地震力分配给连梁。为了使连梁在屈曲之前达到较强的剪力和较弱的强度，采用整体规则调节的方法，对计算模型进行了修正。在设计时，应考虑在连续梁失效不会对竖向荷载产生显著影响的前提下，利用独立墙支的计算图表，对二次频繁地震的破坏进行分析[5]。

（5）总体的计算结果，PKPM 的计算结果显示，当水平力达到一定水平时，底层剪力墙所承受的倾覆弯矩超过50%。对柱墙和联结梁的断面进行调整，优化了配筋。在此基础上，采用不同的混凝土强度等级及不同的构件截面，对框柱、剪力墙的轴压比进行调节。采用不同的板厚和梁高，达到了设计的目的[5]。

2.3 楼板的设计

为了确保楼板的稳定，需采用厚度0.1m 以上的现浇型钢筋混凝土板，增加各层的横向刚度，提高框架剪力墙的强度，提高楼板的抗震性能。在对楼板结构进行设计的时候，必须确保混凝土的强度不低于C30，并且使用双向双层配筋，并且要确保其配筋率大于0.20%，与此同时，在框架剪力墙的混凝土结构设计中，要添加1%的钢纤维，以增强混凝土结构的强度，增强楼板的抗压能力。在进行楼面开口时，要注意不要开口太大。如果需要在地面上设置升降机，那么混凝土墙体就应该采用圆筒结构，这样就可以减少地面的应力。

2.4 强化下部，弱化上部

为了确保底部大空间的整体结构具有合适的刚度、强度、延性和地震性能，需要在底部的基础上，尽可能地增强底部主体结构的刚度，削弱顶部结构的刚度和变形特性。可以采取如下措施：①和建筑专业人员商量，尽量多地让剪力墙落到地面，有需要时，还可以只在下面增加一部分剪力墙（剪力墙不伸出地面）。除了中心管如楼梯间、升降机等可设于下端之外，最好两边都有一面落于地面的剪力墙，这无疑会极大地提高底层的刚性。②在下层部分，增加落地剪力墙的厚度，对于没有落地的剪力墙，则应尽量增加其间隔，使其变薄，既可以降低混凝土的使用量，又可以降低其刚度。③对于具有过渡层的建筑，在过渡层的上部和下部的刚性比值必须加以控制。通过对楼层高度进行提升，可以对刚度比进行直接的改善。然而，通常下面层的空间比较大，层高也比较高，而上面的层高比较低，这就导致了刚度比的增大。如果能够在满足建筑专业要求的情况下，增加楼层高度，这样就可以使刚度比变得更小。④避免在剪力墙上出现过多的孔洞，以避免对墙体的刚度造成过大的弱化。⑤对底层剪力墙或底层柱提高混凝土强度等级，使结构得到增强[6]。

2.5 工程设计中应考虑的问题

方案的选择和方案的构思：依据建筑物的功能要求，制定科学、合理、经济、使用的结构设计。为了保证结构系统能够承受一定的应力、简单的力传递、多条安全的线路，并能有效地提高建筑物的结构和内部的冗余，再引进超静定结构和抗连续坍塌的设计理念，以保证方案的选择是合理的。地震作用的判定：一般情况下，在给定水平力时，由于柱子截面的差异，其结构形式也就不同，因而，受力比例影响的影响程度也就不同。因此，在实际设计中，柱截面和剪力墙的设置都要根据地震倾覆弯矩比例进行调整。剪力墙的设置：在实际的剪力墙设计中，应该考虑到框柱和剪力墙的共同影响。在总体计算达到要求的情况下，存在过拟合、超轴压比等问题，使设计中的重复计算变得十分困难。在混凝土结构设计中，由于剪力墙不能完全穿过大楼，造成结构的刚性突变。为了保证剪切力的可靠传递，对楼面进行浇筑，确保厚度大于10cm，相邻的上部楼板立柱必须一致。为防止塑性铰过早发生，必须采取相应的措施，以改善其变形性能[6]。

2.6 剪力墙抗震布局和布设

开展建筑抗震构造设计当中，重点是需将框架剪力墙抗震构造设计做好。对框架剪力墙布设、布局还有施工质量等而言，会对于建筑项目抗震成效产生直接影响，所以应当将剪力墙布局以及设置做好。通常而言，需要把剪力墙设置于平面构造中容易产生变形的区域。

除此之外，开展结构设计工作当中，还应当重视下述3 个方面准则：①剪力墙应当均匀设置，而且最好是对称匀称布局。当前，为使得建筑构造的稳定性以及安全性获得提升，通常会将剪力墙布设于建筑构造发生变形部位以及建筑物中产生较大竖向载荷的位置。而且，在开展剪力墙设置的时候，还应当遵守双向对称均匀分布的准则。②开展墙肢截面设计的时候，最好需要确保截面形状是规则可靠的，而且截面不可过于繁杂。假如建筑某些形状结构上存有变化不定以及凹凸不平等情况，则最好在构造凸出部位布设相关剪力墙，从而能够使得建筑构造抗侧刚度有效提升，进而对于构造抗震性能进行改善[7]。还有，应当对于剪力墙的密度以及数目进行较好控制。因为剪力墙将会占据到建筑物中一定空间，所以在开展剪力墙布设的时候，必须得将剪力墙密度以及数目控制好。开展结构设计工作的时候，在使得建筑整体抗震性能需要已经满足基础之上，还需尽可能使得剪力墙密度以及数目降低，从而能够使得建筑物空间应用率获得提升，提省群众居住以及生活的舒适度。③应当使剪力墙构造上延展性获得有效提升。因此需要相关设计工作人员在开展剪力墙长度设计当中应当做好全面思考，从而使得剪力墙延展性获得提升。通常而言，能够把同一剪力墙划成多个短小剪力墙，进而使得建筑物抗震设计的质量得到提升[7]。

3 结语

教学楼框架剪力墙结构可以简化施工流程，加快施工进度，节约施工费用，确保施工质量。在教学楼建筑中，框架-剪力墙结构是一种比较常用的结构形式，应进一步推动教学楼建筑的发展。注重在具体的工程设计中通过大量的实践探索与研究，总结在实践中的经验，并不断地进行创新，以达到更好的经济效益和技术指标。在进行框架剪力墙结构的设计时，首先要对其进行基本的理论研究，然后通过对其进行分析和检验，从而达到更好的设计效果。同时，合理的平面及竖向布局能够使整个建筑成为一个很好的抗震系统，因此，在进行建筑设计时，需要对建筑进行持续的研究，并对各种方案进行对比，尽可能地制定出最优的技术方案，以确保建筑的安全及经济。