震后汶川學(xué)校建筑重建的調(diào)研與思考

呂秋晨，劉希，孫欲順，張磊

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400045）

針對(duì)地震后汶川學(xué)校建筑的破壞狀況和災(zāi)后重建工作進(jìn)行了調(diào)研和分析，了解了學(xué)校建筑破壞嚴(yán)重的原因，重建工作重視在學(xué)校建筑中適當(dāng)提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并廣泛采用了先進(jìn)的隔震效能技術(shù)。

汶川地震；學(xué)校建筑；隔震；調(diào)研；思考

1 引言

汶川地處我國一個(gè)大地震帶——南北地震帶上，中部地區(qū)的中軸地震帶位于經(jīng)度100度到105度之間，涉及地區(qū)包括從寧夏經(jīng)甘肅東部、四川西部直至云南，屬于我國地震密集帶。汶川又在四川龍門山地震帶上，是個(gè)地震多發(fā)區(qū)域。2008年發(fā)生在汶川的5·12大地震給人們帶來了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，尤其是在人流密集度高，人流量大且頻繁的學(xué)校建筑中，傷亡更加慘重。四川近7000座學(xué)校建筑倒塌，大量校舍坍塌，導(dǎo)致學(xué)生傷亡近萬人。

汶川地震之后，對(duì)于如何在地震后給地震區(qū)域百姓建設(shè)一個(gè)安全、適宜居住的家園，尤其是學(xué)校建筑在地震時(shí)的安全保障性是擺在重建者面前的一道難題。為了解決這些問題，專家學(xué)者們重新修訂了汶川地震區(qū)域的抗震等級(jí)，政府與各援建局一起，圍繞建設(shè)“強(qiáng)震中不倒的安全房屋”的思想為指導(dǎo)，對(duì)于學(xué)校建筑提高了抗震等級(jí)，并引入了先進(jìn)的隔震減震技術(shù)。

目前的建筑物是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能來抵御地震力作用的，震害實(shí)踐表明，對(duì)于特大地震單純采用“抗”的辦法是抗不住的，建筑工程還是免不了要遭到破壞。而隔震技術(shù)和抗震思路不同，它不是著眼于工程本身的強(qiáng)度、剛度、柔性，而是企圖利用一種裝置把建筑物和基礎(chǔ)隔開，以達(dá)到使建筑物不破壞的目的。作為土木工程專業(yè)學(xué)生，實(shí)地了解地震災(zāi)害的破壞性和重建工作中的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)將會(huì)有很大的幫助。因此，我們?cè)诖髮W(xué)生科研計(jì)劃項(xiàng)目“學(xué)校建筑抗震結(jié)構(gòu)調(diào)查與分析”的研究中，針對(duì)地震后汶川學(xué)校建筑的破壞狀況和災(zāi)后重建工作，結(jié)合專業(yè)知識(shí)到地震災(zāi)區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。

2 汶川災(zāi)區(qū)學(xué)校建筑震害分析

地震前，汶川地震區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度在都江堰和汶川都是7度，但震時(shí)都江堰地震烈度達(dá)到8～9度、汶川地震重災(zāi)區(qū)映秀鎮(zhèn)地震烈度達(dá)到10～11度，實(shí)際地震烈度已達(dá)到或超過了本地區(qū)設(shè)防水準(zhǔn)的罕遇地震。在這次地震中，學(xué)校建筑受災(zāi)嚴(yán)重，收集到的學(xué)校建筑破壞情況的幾幅圖片示于圖1中[1]。

圖1 學(xué)校建筑破壞情況

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，可知學(xué)校建筑的嚴(yán)重破壞主要?dú)w結(jié)于以下幾個(gè)因素：

一是工程的選址不當(dāng)，沒有避開地震活動(dòng)地帶和大的地質(zhì)斷裂帶。對(duì)校舍建筑重視不夠，抗震設(shè)防過低。我國的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則是小震不壞，中震不修，大震不倒，在抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，將建筑劃分為甲乙丙丁四類，前兩類作為標(biāo)志性建筑，或指揮性建筑，抗震設(shè)防要求較高，而在汶川地震前該地區(qū)的中小學(xué)校舍多按普通建筑劃分為兩類建筑，只能滿足抗震設(shè)防烈度，一旦遇到類似此次汶川8.0度的罕遇地震時(shí)，抗震性能明顯不足。

二是結(jié)構(gòu)造型不合理，學(xué)校建筑作為特殊建筑具有內(nèi)部空間跨度大、荷載高，教學(xué)樓墻體高寬比不當(dāng)，且長期處于動(dòng)靜荷載的反復(fù)作用，人員密集，疏散時(shí)間長等特點(diǎn)。這就要求校舍建筑必須滿足耐久度高柔性佳抗倒塌能力強(qiáng)的要求，而在汶川過去的校舍建筑中大量采用的是磚混承重墻加預(yù)置樓板的結(jié)構(gòu)形式，且大多數(shù)建筑沒有加圈梁。這些隱患在平時(shí)單純豎向荷載作用下不明顯，一旦遇到地震、風(fēng)暴等外界破壞力，極易誘發(fā)瞬間整體垮塌，如圖1（b）汶川璇口中學(xué)的校舍整體倒塌就屬于這種情況【3】。

三是施工質(zhì)量太差。對(duì)于此次汶川地震，四川省建設(shè)廳出了一份關(guān)于校舍大面積垮塌情況的專項(xiàng)分析報(bào)告，報(bào)告認(rèn)為導(dǎo)致此次地震的學(xué)校大面積垮塌的主要原因有三方面：一是建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，而是地震烈度太大，三是部分建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和施工質(zhì)量控制不合理。而其中一個(gè)最為重要的原因是施工質(zhì)量太差。

3 汶川災(zāi)后學(xué)校重建工程調(diào)研

2009年10月，項(xiàng)目組進(jìn)行汶川災(zāi)后實(shí)地考察和調(diào)研。先后走訪了都江堰光明團(tuán)結(jié)小學(xué)，汶川幼兒園，汶川第一小學(xué)，汶川第二小學(xué)，汶川第一中學(xué)。在汶川幼兒園，汶川第一小學(xué)，汶川第二小學(xué)，親眼目睹了學(xué)校建筑的重建工作和聆聽了相關(guān)技術(shù)人員對(duì)重建工作中采用的抗震措施和先進(jìn)的隔震消能技術(shù)的詳細(xì)介紹。限于篇幅，本文僅介紹幾個(gè)有特色的重建學(xué)校建筑。

首先介紹汶川縣幼兒園。汶川幼兒園項(xiàng)目投資2394.00萬元，采用了先進(jìn)的幼兒園設(shè)計(jì)理念，外墻選擇簡潔明快的現(xiàn)代風(fēng)格，五顏六色的“糖果盒子”蘊(yùn)含童真與意趣，為孩子們創(chuàng)造出天真爛漫的幻想空間。其立面設(shè)計(jì)簡潔大方，更是一座無障礙建筑，兒童通行安全便利。汶川幼兒園裙房三面環(huán)繞，樓層不高（僅有三層），彼此相通便于交通和逃生，地板、道路均采用柔性材料。在考慮地震應(yīng)對(duì)措施上，采用了先進(jìn)的組合基礎(chǔ)隔震技術(shù)【2】，使用隔震支座32個(gè)，包括滑板支座20個(gè)，橡膠支座12個(gè)，以減小地震作用。在幾棟建筑物之間還設(shè)置了隔震消能過道板，如圖2（b）所示。幼兒園幾棟建筑挨在一起，地震發(fā)生后，建筑變形互相擠壓，可能造成建筑破壞和人員的損失。為解決這一問題，采用了簡易可行效果較好的隔震消能過道板。過道板是連接兩棟建筑的構(gòu)件，利用兩棟建筑在地震時(shí)振動(dòng)周期的不同，起到相互抵消位移，從而減小每一棟建筑的振幅，減小位移的作用。平時(shí)則可以作為連接兩棟建筑的通道使用。

圖2 汶川幼兒園外觀及其細(xì)部構(gòu)造圖

圖3 汶川一小以及梁廊柱構(gòu)造

廣州建設(shè)局援建的汶川一小是汶川縣規(guī)模最大的小學(xué)，造價(jià)7200萬元，建筑風(fēng)格為歐式風(fēng)格，環(huán)境色彩活潑自然，校園空間嚴(yán)謹(jǐn)莊重，傳承文化又不失現(xiàn)代感。學(xué)校設(shè)施的先進(jìn)程度至少20年不會(huì)落后。由于工期短未能使用隔震技術(shù)，采用框架結(jié)構(gòu)，樓板整體澆筑，梁柱尺寸為非地震帶的兩倍左右，圖3（b）所示，較之以前位于該地區(qū)的學(xué)校建筑采用預(yù)制板結(jié)構(gòu)，從整體抗震性能上來說提高很多。

汶川二小項(xiàng)目投資5480.00萬元，是一所傷殘無障礙小學(xué)，呈現(xiàn)羌族建筑風(fēng)格，設(shè)有書法教室、遠(yuǎn)程教育教室等，是一間兼有對(duì)殘疾人進(jìn)行特殊教育功能的新型小學(xué)，如圖4（a）所示。汶川二小在建設(shè)中采用了橡膠隔震墊、隔震過道板、阻尼器等先進(jìn)隔震新技術(shù)，在建筑物基礎(chǔ)上與上部結(jié)構(gòu)之間以及上部建筑層間設(shè)置由隔震器、阻尼器等組成的隔震層，減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到預(yù)期的防震要求。隔震支座安置在首層以下豎向構(gòu)件的下面，便于維護(hù)人員接近的部位，外露預(yù)埋件有可靠的防銹措施。汶川二小共采用了隔震支座134個(gè)，如圖4（b）所示，包括彈性滑板支座46個(gè)、疊層橡膠支座88個(gè)，使用阻尼器8個(gè)，隔震支座專門設(shè)置一層，高度兩米左右。典型的滑板支座是在基礎(chǔ)面上設(shè)滑移層。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，滑移層受到地震作用大于摩擦力，滑動(dòng)面通過滑移消耗和阻止地震能量上傳，起到隔震作用，達(dá)到即使地震強(qiáng)度增大，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形也不增加的目的【4】。隔震墊上方的縱、橫梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；隔震層頂部梁板體系的剛度和承載力，大于一般樓面的梁板剛度和承載力；梁、柱在設(shè)置隔震墊的位置，考慮沖切和局部承壓，加密箍筋根據(jù)需要配置成網(wǎng)狀鋼筋，抗震防震明顯有效。通過隔震裝置，將減弱或改變地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，汶川二小的建設(shè)打造出地震區(qū)精品工程，可抗九級(jí)地震。

圖4 汶川二小全景及其抗震設(shè)計(jì)

在汶川二小及幼兒園使用的基礎(chǔ)隔震橡膠墊的材料配方中都添加了適量的“抗老化劑”，橡膠墊的耐老化性能大大提高；在夾層橡膠墊的外皮設(shè)置了厚度約10mm的“保護(hù)層”；在橡膠墊材料配方中加入了“阻燃劑”及其他特殊的摻和劑，又在橡膠墊的外皮“保護(hù)層”的外表面涂刷特種涂料層，從而大大提高了橡膠墊的耐火、耐水、耐腐蝕等性能。耐久性好，使用壽命長于100年。汶川二小還采用了滑板支座，其價(jià)格只有橡膠隔震支座的1/3。根據(jù)廣州援建汶川縣第二小學(xué)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，大面積的推廣使用滑板支座可以降低土建工程造價(jià)30～50元/ m2【2】。

4 對(duì)抗震和隔震建筑的性能的淺析與思考

汶川一小和汶川二小分別采用了傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)和隔震設(shè)計(jì)，不同的模式達(dá)到了殊途同歸的效果，兩種方法的比較列入表1中。

表1 【5】基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)對(duì)比

汶川一小采用傳統(tǒng)形式，雖然造價(jià)技術(shù)相對(duì)較低，可是相比汶川二小采用隔震技術(shù)來講，不是去隔離地震的影響，而是依賴結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和剛度去抵抗地震作用，就要求結(jié)構(gòu)本身有足夠的抗震能力，而不得不加大梁柱截面面積。隔震技術(shù)安全可靠，大地震時(shí)隔震結(jié)構(gòu)水平方向加速度反應(yīng)僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/3～1/8（即安全度提高3～8倍）。采用隔震技術(shù)，強(qiáng)震時(shí)不僅房屋不會(huì)損壞、倒塌，功能系統(tǒng)也不會(huì)被損壞；人員可以不必疏散，照常工作。從而使隔震房屋可作為大地震中的“急救中心”和“應(yīng)急指揮中心”【1】?；A(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系通過設(shè)置隔震層，由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量。隔震層的設(shè)置改變了上部結(jié)構(gòu)的自震周期，降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確保上部結(jié)構(gòu)在大地震時(shí)仍可處于彈性狀態(tài)，或保持在彈塑性變形的初期狀態(tài)，做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”，成為大地震中的“避難所”。但是隔震技術(shù)仍有它自身的弱點(diǎn)，比如工期延長，造價(jià)提高，施工要求高等。最重要的是，目前夾層橡膠隔震支座僅考慮水平隔震，對(duì)豎向地震幾乎沒有減震作用。豎向地震對(duì)一般的建筑物影響不大，但對(duì)一些大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)，豎向地震作用影響會(huì)很大。如何既考慮水平減震，又能在豎向起到減震效果的隔震支座成為重要研究課題。比如一般認(rèn)為，低層建筑物柱子傳來的軸力不大，采用隔震系統(tǒng)后效果明顯。以前我國采用隔震技術(shù)的建筑大多是多層框架結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展高層建筑日益增多，如何在高層建筑中采用隔震技術(shù)成為一大難題。這就要求我們新一代的土木人今后不斷探索不斷創(chuàng)新，以改進(jìn)它的不足【6】。

要在防震減震的同時(shí)建設(shè)更經(jīng)濟(jì)合理的建筑，還需要傳統(tǒng)抗震和隔震相結(jié)合；在安全性要求不高、人流不密集的輔助房屋可以采取傳統(tǒng)抗震形式，在主要的教室寢室采取隔震措施。還應(yīng)充分考慮地形特點(diǎn)，在基礎(chǔ)較好的基巖上可以適當(dāng)減少隔震技術(shù)的利用，并逐步擴(kuò)大隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍和完善程度。

5 結(jié)語

針對(duì)地震后汶川學(xué)校建筑的破壞狀況和災(zāi)后重建工作進(jìn)行的調(diào)研和分析表明，學(xué)校人口聚集，建筑破壞嚴(yán)重，人員傷亡慘重，5·12地震前大多抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，抗震措施嚴(yán)重不足，絕大多數(shù)教學(xué)樓為磚砌體加預(yù)制混凝土樓板結(jié)構(gòu)，圈梁構(gòu)造柱設(shè)置不夠，整體性不強(qiáng)。在強(qiáng)地震作用下，墻體脆性受剪破壞，預(yù)制樓板因與墻體（圈梁）缺少可靠連接，造成倒塌。重建工作重視在學(xué)校建筑中適當(dāng)提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，房屋建筑設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制，加強(qiáng)整體性，同時(shí)注重學(xué)校的選址，并廣泛采用了先進(jìn)的隔震技術(shù)。隔震技術(shù)是目前最有效的防御地震的技術(shù)，它應(yīng)用于汶川，也將應(yīng)用于全國各個(gè)區(qū)域地方，隔震技術(shù)將有很好的應(yīng)用前景。

[1]李英民，劉立平.汶川地震建筑震害與思考[M].重慶大學(xué)出版社，2008年10月

[2]楊隨新.關(guān)于隔震技術(shù)在威州重建中應(yīng)用情況的報(bào)告1[R].廣州建設(shè)局，2009，11:3-4.

[3]楊隨新.關(guān)于隔震技術(shù)在威州重建中應(yīng)用情況的報(bào)告2 [R].廣州建設(shè)局，2009，11，:4及附件8

[4]王翠昆，楊沈.汶川地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的啟示[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2008，3(3):233-234.

[5]王永衛(wèi)，王群偉，杜杰.隔震技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].山西建筑，2009，35(27):75.

[6]戴國瑩.房屋建筑的隔震設(shè)計(jì)和消能減震設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2002，18(5):56.

[7]吳兵，馮沛蕓.中國隔震技術(shù)淺析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2003，20(2):81-82.

Investigations and Reflections on Reconstruction of School Buildings in Wenchuan after the Earthquake

Research and analysis of the damages and post-disaster reconstruction work of the school buildings in Wenchuan are conducted to find out the main causes for the severe damages of those school buildings.Great emphasis are attached to the proper elevation of seismic fortification criteria of the school buildings reconstruction work.and advanced seismic isolation and energy dissipation techniques are intensively employed in the post-disaster reconstruction work.

Wenchuan earthquake;school buildings;seismic isolation;research,thinking

TU973+.31

A

1671-9107（2010）06-0047-03

項(xiàng)目資助：重慶大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“學(xué)校建筑抗震結(jié)構(gòu)調(diào)查與分析”

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.047

2010-4-14

呂秋晨(1990-)，女，湖北人，土木工程專業(yè)08級(jí)學(xué)生。