关于学校与幼儿园建筑抗震设防专项审查若干问题的探析

殷 霞 云南建设学校土木工程系副高级讲师，一级注册结构工程师

2021 年9 月1 日，行政法规《建设工程抗震管理条例》开始施行，这是我国第一部国家层面的工程抗震领域专项法规。根据该条例第十六条规定，建筑工程根据使用功能以及在抗震救灾中的作用等因素，分为特殊设防类、重点设防类、标准设防类和适度设防类。学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑，应当按照不低于重点设防类的要求采取抗震设防措施[1]。位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求[1]。该法规体现了国家对学校建筑在抗震设防安全性方面的重视，本文对学校、幼儿园建筑的抗震设防专项审查中遇到的若干问题和相关处理方法展开讨论。

1 学校、幼儿园建筑抗震设防专项审查的历史沿革

《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223—2008）的第3.0.2 条（强条）规定：重点设防类应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9 度时应按比9 度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施应符合有关规定，同时，按本地区抗震设防烈度确定其地震作用[2]。第6.0.8 条明确规定：教育建筑中，幼儿园、小学、中学的教学用房及学生宿舍和食堂抗震设防类别应不低于重点设防类[2]。《云南省建筑工程抗震设防专项审查管理办法》第二条规定将中小学校、幼儿园建筑纳入云南省建筑工程抗震设防专项审查的对象；第四条规定将抗震设防专项审查纳入基本建设管理程序，初步设计抗震设防专项审查意见作为有关部门审批初步设计的依据之一，施工图抗震设防专项审查意见作为施工、质监、监理及竣工验收的依据之一，未取得项目抗震设防专项审查批准书（初审意见表）的建筑工程，各有关建设行政主管部门不得发放施工许可证，不得办理招投标、监理等相关手续，更不得组织验收和投入使用[3]。《建设工程抗震管理条例》的施行将进一步推进学校建筑抗震设防专项审查的开展。

2 学校、幼儿园建筑抗震设防专项审查若干问题及处理办法

根据学校、幼儿园建筑的特点，其结构体系通常会选择钢筋混凝土框架结构。然而重点设防类建筑的抗震设防要求较高；其次，框架结构自身存在侧向刚度偏小、抗震能力不足的问题；第三，学校、幼儿园建筑功能需求日益复杂，经常出现各种功能截然不同的建筑单元被纳入同一栋建筑内或连接在一起，出现各种不规则问题，甚至多项不规则指标超限，导致设计方案的技术经济性不理想。为了能顺利通过抗震设防专项审查，在方案设计和初步设计阶段需要重点注意以下问题。

2.1 概念设计是学校、幼儿园建筑抗震设计的核心思想

概念设计是学校、幼儿园建筑抗震设计的核心思想[4]。重点设防类建筑对抗震设防的要求较高，合理的建筑体型和布置对结构的规则性影响重大。借鉴高层建筑或复杂建筑设计流程，建筑师与结构工程师在方案设计阶段就应密切配合，在建筑布置（建筑体型）和结构布置（结构体系选择和构件布置）两方面，尽量减少不规则项的数量和程度，最大程度保证建筑的规则性，提高建筑的抗震能力和技术经济性，避免在专审阶段，因结构出现特别或严重不规则的情况被要求涉及到建筑层面的整改。

结构设计在最大程度保持建筑设计特色的基础上，应贯彻清晰的力学思路，突出结构抗震重点环节，对结构进行合适的整合或拆分，使结构更易满足抗震设防的要求。例如目前使用连廊将多栋教学楼连接的情况多有出现，连廊的使用有其优越性，主要体现在：学校建筑群容易形成鲜明的统一风格；方便各栋教学楼间的联系；提供学生课余活动场所。但同时也存在一些问题：一是连廊将多栋教学楼连接成整体后，导致在地震时结构整体的受力及变形复杂，容易引起破坏。需要根据连廊的规模（层数及跨数）、使用的材料类型、与主体结构的连接方式等因素综合评估连廊对结构抗震性能的影响程度，采取不同的调整措施。如果将教学楼和连廊视做整体，需要对二者在地震时的共同受力和协调变形有充分把握；如果将二者分开成为各自独立的结构单元，则需要注意独立连廊的抗震能力，连廊因此可能转变为抗震不利的单跨结构，须对连廊采取加强措施。二是大范围的连廊须重视消防安全问题，不能影响消防通行。三是连廊作为学生聚集的场所，设施的安全性也需要重点关注。再如，楼梯为满足正常使用和应急疏散的需要，往往体量较大且经常出现在建筑的端部，此时沿楼梯斜板传递给主体结构的斜向地震作用影响不能忽略，要采取加强措施。对于主体结构与附属结构是各自独立还是连成一体需要认真比选，多方考量。

避免将学校建筑与周围抗震设防类别不同的其他建筑混设在一起。例如，某大型高层住宅小区配套的幼儿园设在两栋高层住宅之间的裙房内，裙房与两栋高层建筑采用防震缝分开，但建筑设计中有一间属于幼儿园的房间被设在高层住宅建筑中，高层住宅的抗震设防类别是标准设防类，与学校不同，导致高层住宅相关部分的抗震设防标准提高，不仅增加了造价，也因高层结构局部构件被加强，形成刚度突变，成为高层结构抗震的不利因素。处理这个问题最简单易行的办法是调整幼儿园的建筑设计，将抗震设防类别的不同的建筑分开设置，整个幼儿园设在独立的结构单元内，互相不影响。

应对结构抗震能力差异较大部位要采取加强措施。例如某学校综合馆下部数层是训练教室，柱多且连续、层高不大且一致，结构侧向刚度较大、沿高度方向均匀连续；顶层是礼堂，中间的柱全部缺失且层高很大，屋盖采用钢网架或桁架，结构刚度较小，整个结构侧向刚度竖向突变严重，顶层柱支承大跨度屋盖要求较高。为此采用抗震性能设计方法，将礼堂外围通长柱设为关键构件，采用HRB500 级钢筋，或考虑配置型钢将柱变成劲性混凝土柱，施工时需确保型钢与下层柱连接良好；适当减小下部楼层的刚度，减小整体刚度突变。

2.2 其他需要注意的问题

建设资金对项目建设的影响。例如某学校的多栋建筑因建设资金原因需要分阶段建造，建设方与设计方沟通不足导致初步设计在专审时被要求作较大整改。针对性的处理办法为，一是双方需要提前充分沟通，从建筑、结构、设备等方面确保各部分结构独立具有符合规范要求的抗震能力。二是当建设资金充裕时，可以采用新颖别致的设计、大胆尝试新技术新工艺，否则应首选技术经济性好的方案，例如体型比较规则、平面和立面形状简单对称、抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续均匀、构造简单、材料常用易买、施工工艺相对简单的方案。

除主体结构进行抗震设计外，还要重视非结构构件的抗震设计，采取的措施也需要达到相应的设防水准，为实现建筑功能提供有效的服务。例如非承重墙体、附着于楼面和屋面结构的构件、装饰部件、门窗幕墙、各种电气部件、设备机电管线，特别是实训教室的附属机械设施等。

3 减隔震技术在学校建筑中的应用

在高烈度地震区，达到设防要求的学校建筑通常自重、刚度、构件截面和地震反应都比较大，技术经济效果不够理想。采用减隔震技术，设置隔震层或耗能构件，对结构刚度、承载力和延性进行优化，可以增加结构的抗震防线，减小在结构上的地震作用，控制构件的截面尺寸，获得较好的技术经济效果。

《云南省隔震减震建筑工程促进规定》要求抗震设防烈度7 度以上区域内三层以上、且单体建筑面积1 000 m2以上的学校、幼儿园校舍和医院医疗用房等建筑工程应采用减隔震技术来减小结构的地震响应，消耗结构的地震能量，提高结构的抗震能力，并在减震数值上满足相关规定[5]。

3.1 学校建筑的隔震设计

隔震设计是在结构基础、底部或下部结构与上部结构之间设置隔震层，将场地传来的地震作用与上部结构隔离，延长整个结构的自振周期，达到减小上部结构响应，消除或减轻结构和非结构构件的地震损坏，提高安全性，增强建筑物的抗震能力和震后继续使用的目的[6]。隔震层是由隔震支座、阻尼装置、抗风装置、限位装置、抗拉装置等组成的具有整体复位功能的系统的总称。隔震支座的类型主要有天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、弹性滑板支座、摩擦摆支座等。

采取隔震措施时的注意事项主要有：第一，科学设定隔震目标，采用隔震技术后，一般可降低50%的水平地震作用，构件截面比无控结构明显减小[6]。同时构件仍要符合“强柱弱梁”“强剪弱弯”的原则，对受力复杂的重要结构构件（如转换柱、角柱等），应对其剪力及弯矩进行放大，增大结构的安全性。第二，确定隔震层位置，隔震层宜设置在结构底部或中下部，基础隔震是采用最多的类型，中间层隔震其下部楼层的抗震设防标准与普通建筑一致。第三，隔震层设计要求为，隔震支座应设置在受力较大的部位，根据竖向承载力、侧向刚度和阻尼的要求确定隔震支座的规格、数量和分布，使隔震装置的竖向变形尽量保持一致；对于倾覆效应明显、基底可能产生拉应力的结构选取适合的隔震支座，须对结构进行整体抗倾覆验算，对隔震支座进行拉压承载能力验算，并注意核验结果；隔震支座设计使用年限不应低于隔震结构设计使用年限，且不宜低于50 年；隔震装置应便于检查和替换[6]。第四，采用性能化设计方法，将隔震层支墩、支柱及相连构件作为关键构件，采取加强措施。第五，其他注意事项有，建筑与周围设施间的竖向隔离缝应完全贯通，并满足隔震支座极限水平变位时对缝宽的要求，确保在罕遇地震作用下不发生阻挡和碰撞；当缝宽受限时，可在隔震建筑之间设置阻尼器以减少位移；采取防水、防潮、防止异物进入的措施，并进行重点检查；穿越隔震层的楼电梯、车道、设备管线等应适应隔震层的位移和变形，不能阻碍隔震层变形、发生碰撞或损坏设施；设备管线应采用柔性连接，避免发生次生灾害和丧失使用功能；室外台阶、门厅入口等应避免地震时的阻挡和碰撞，不影响人员疏散。

3.2 学校建筑的消能减震设计

消能减震设计是在房屋结构中的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置消能器（阻尼或元件），通过消能器产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）和弹塑（或黏弹）性滞回变形等，提供附加阻尼，耗散或吸收地震输入结构中的能量，减小结构的地震响应，降低构件的内力和变形，实现预期的减震目标。消能器根据工作原理分为位移相关型（金属消能器、摩擦消能器、屈曲约束支撑等）、速度相关型（黏滞消能器、黏弹性消能器等）、复合型（铅黏弹性消能器等）三类。

屈曲约束支撑（BRB）小震时可以提高结构抗侧刚度，减小框架柱分担的地震力，大震时屈曲耗能，减小地震响应。阻尼器在小震时即进入耗能阶段，给主体结构提供附加阻尼比，增加结构在地震作用下的耗能，减小地震响应。采用抗震性能化设计可以实现比现有规范更高的设防目标，根据建筑的实际需要，可以针对整个结构、局部部位和关键部位、重要构件、次要构件及建筑构件和消能构件选定性能目标。

采取减震措施时的注意事项主要有：第一，科学设定减震目标，采用减震技术后，小震作用下地震力可减小约15%到20%，大震作用下结构层间位移可减小约30%[7]。消能减震结构的抗震性能明显提高时，主体结构的抗震构造措施要求可适当降低，降低程度根据消能减震主体结构与传统结构的地震剪力比确定，最大降低程度应控制在1 度以内。工程设计中应对附加阻尼比进行折减后再应用，检验减震目标的实现情况。消能器的使用也可能增加结构造价，对不同减震设计方案及传统抗震设计方案进行综合比选后确定的优秀减震方案可以明显减小构件截面尺寸和配筋率，体现抗震性和经济性上的优势。第二，消能部件宜沿结构主轴方向布置，设置在层间相对变形或速度较大的位置，支撑形式的减震设备宜采用交叉布置的方式，提高消能减震效果。第三，消能器的设置应方便检查、维护和替换，应注意减震设备的使用时限[7]。第四，消能器是非承重构件，其功能仅在结构变形过程中发挥耗能作用，一般情况下不承担结构竖向荷载作用，不改变主体结构的竖向受力体系[7]。第五，根据需要选择不同类型的阻尼器形成“混合阻尼器”减震结构，例如将屈曲约束支撑与摩擦型阻尼器结合，屈曲约束支撑能有效提高结构刚度，摩擦型阻尼器在小震下提供附加阻尼比起到耗能作用[8]。第六，减震技术比较适合对既有建筑进行加固，学校类建筑可以利用假期完成。

4 结语

随着我国经济技术的发展，学校建筑的功能越来越完善，各方面要求越来越多，建筑结构不规则和复杂程度也越来越大，学校建筑按不低于抗震重点设防类建筑采取抗震措施，其抗震设计应从概念设计基本原则出发，结合建筑功能需要和建设情况，采用性能化设计方法，同时配合采用隔震消能减震的措施，才能很好的实现抗震设防目标，有效减小构件截面尺寸，获得良好的技术经济效果。