东莞水乡地区学校建筑结构体系与基础的选型——以东莞市万江中学设计工程为例

东莞水乡地区学校建筑结构体系与基础的选型——以东莞市万江中学设计工程为例

卢逢煦

（东莞市城建规划设计院，广东，东莞，523129）

【摘要】本文通过对东莞市万江中学工程的设计经验分析，总结了在最新抗震设防要求下，教学楼、图书馆、体育馆等主要单体的结构类型以及结构布置方案，得出了在东莞水乡地区特有的淤泥加细砂地质条件下学校建筑的基础选型。为相关地区同类型的学校建筑提供了设计参考。

【关键词】水乡；学校建筑；结构体系；基础

1．工程概况

本工程位于广东省东莞市万江街道，总建筑面积约为63000㎡，包括教学办公区、生活区、运动区和中心景观区等四个分区。项目于2011年开始施工，为当年的东莞市市属重点建设项目。2012年竣工验收合格后被获得“2012年度东莞市优秀建筑工程设计项目”二等奖。整个校区单体建筑结构类型为钢筋混凝土框架结构，基础形式为预应力管桩基础。校区由包括教学楼、实验楼、图书馆、食堂、体育馆、宿舍等多个单体组成。

2．抗震设计背景

该项目于2010年设计。在08年汶川地震后，国家对学校、医院等薄弱场所的抗震设防要求进行了大幅度提高。东莞市建设局、东莞市地震局于2009年6月18日下发《关于我市学校、医院等人员密集场所建设工程抗震设防要求有关问题的通知（东震【2009】11号）》规定：新建学校的“抗震措施”按抗震设防烈度Ⅷ度确定；“地震作用”按地震动峰值加速度（设计基本地震加速度值）0.15确定。即抗震措施由原来设计抗震7度时，应提高为8度，而地震加速度由0.1g提高为0.15g。另外，根据2008年11月发布的《工程结构可靠性统一标准》规定：（从2009年7月1日实施）学校建筑由标准设防类建筑提高为重点设防类建筑，其结构重要性系数由1.0提高为1.1。在上述设计标准下，整个结构体系的抗震性能大为提高。与之同时，工程造价也为之上涨。在本项目最终工程预算的结果显示：在原建设规模不变的条件下，土建造价增加了20-25%，占总造价约4-6%。在1.51亿总工程投资的基础上增加约900万元。

3．结构体系选型

整个校区由包括教学楼、实验楼、图书馆、食堂、体育馆、宿舍等多个单体组成。教学楼与实验楼均为多跨框架结构。最初选型时，曾考虑采用单跨结构（此类型在早期学校建筑中应用较为广泛），后因抗震要求的提高，学校类建筑作为重点设防类（即乙类）建筑，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第6.1.5条规定：甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构。故教学楼与实验楼均采用多跨框架结构，两者间用连廊连接。单体与连廊之间均设防震缝分割。使得整个体系具有较好的整体性能和较强的抗震性能。

图1教学区效果图

本项目中，图书馆与体育馆为其中两个个重要的标志性建筑。图书馆为一栋四层建筑，当中具有大跨度会议厅以及屋顶花园等特色设计部分。大跨度会议厅位于3楼，平面尺寸为24.5m×18.3m，一个方向跨度达到24.5m，为大跨度框架结构。结构布置方案比选时，采用了正交井字梁与斜交井字梁两种方案。最终对比分析得出：正交井字梁主框架梁截面为400mm×1500mm，次梁为200mm×600mm。正交井字梁方案比斜交井字梁方案整体上降低了梁高，节约了造价。综合而言，当平面尺寸长短边之比（24.5/18.3）≤1.5时，正交井字梁优点突出，整个体系受力均匀，主框架梁截面抗弯能力也得到充分发挥。同时，正交井字梁整体梁系分布均匀，构造简单，在室内形成良好的视觉效果，具有较强的美观性。

体育馆为钢筋混凝土主体结构，因其内部布置了多个篮球场与羽毛球场，需要宽阔大空间，而钢结构网架具有跨度大（适合大空间结构建筑的屋顶）、空间受力好（充分发挥钢材自身强度）、自重轻（节约钢材）、施工快（制作工期短）等优点，适合体育场馆等大空间建筑，故本体育馆屋盖体系采用钢结构网架体系。体育馆平面尺寸为53.2m×42.5。网架形式为上弦柱点周边支承的正放四角锥，网架最大高度为2.0米。整个网架体系的设计体现了较大的经济合理性。

4．基础设计选型

拟建场地位于东莞市万江街道。为东莞水乡地区包括：中堂、道滘、望牛墩、麻涌、洪梅、万江、石龙、石碣、高埗、沙田和虎门港（简称“10镇1港”）的重要组成部分。工程场地原始地貌为冲洪积平原，经人类改造活动，现地面相对平坦。根据钻探揭露，场地内地层自上而下为：人工填土层、第四系冲洪积层及白垩系基岩。地质情况为淤泥层与砂层交替分布。此种地质为分布在东莞水乡地区常见地质。该地质分布剖面图如下所示。

综合分析场地、地基条件及周边环境、建筑物荷载、各桩型特点等因素，对本工程基础选型为采用预应力混凝土管桩基础。预应力管桩基础承载力高、造价低、施工速度快、能够有效穿越淤泥、粉细砂及粗砂等薄弱土层，进入强风化泥岩层。

在桩基设计工程中：按广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）有关规定，该桩基为摩擦端承桩，靠桩身摩擦力以及持力层端承力产生足够承载力。首先，粗砂层在场地广泛分布，厚度变化不大，埋深大，力学性质较好，可为桩基提供较大摩阻力，桩侧摩阻力特征值qsa取40kPa；其次，泥岩层为强风化～中风化状态，力学性质好，承载力高，可作为建筑物基础持力层。桩端土（岩）的端阻力特征值qpa取3500kPa。经过计算分析，工程统一采用直径400mm，壁厚95mm的预应力高强混凝土AB型管桩，桩长为20~30米m，具体桩长根据现场打桩贯入度，结合最后1m锤击数及总锤击数（或静压桩的终压力）进行控制。桩端持力层为强风化～中风化泥岩。设计单桩竖向承载力特征值为1200KN。

图2地质分布剖面图

同时，结合水乡地质的特殊情况设计时注意以下三点：（1）当桩从相对软弱土层进入硬土层时，所产生的应力集中对桩身所会造成不良影响，易产生爆桩和断桩现象；（2）场地内软土层分布广泛、厚度较大，桩基础施工时产生的超孔隙水压力和挤土效应对周边建（构）筑物及已成的桩基造成危害；（3）场地分布有大面积厚层的松软土层，因此，在桩基设计时应考虑其侧负摩阻力。根据广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）第10.2.9条进行相应的承载力折减。

5．小结

本文通过对东莞市万江中学工程的设计经验总结分析，指出了学校类建筑的最新抗震设防要求。通过对比分析，得出了教学楼、图书馆、体育馆等主要单体的结构类型以及结构布置方案。同时结合东莞水乡地区特有的淤泥加细砂地质条件，给出学校建筑的合理基础形式。为相关地区同类型的学校建筑提供了设计参考。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范，北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]GB50007-2011建筑地基基础设计规范，北京：中国建筑工业出版社，2011

[3]夏炎，魏大，斜放井式梁特性和工程应用，建筑结构，2010（4）：66~67