汶川地震中學校建筑抗震能力分析

【摘要】介紹汶川地震中學校建筑倒塌的原因分析，以后抗震發展的方向等供同行參考。

【關鍵詞】地震；汶川；學校建筑；砌體結構；預制板；倒塌；抗震概念設計

Anti-shake ability analysis for school building in e Wenchuan earthquake 

Lin Hui-ting

(Zhuhai city West area programming and building design officeZhuhaiGuangdong519100)

【Abstract】The article introduced school building tumble down of reason analysis in Wenchuan earthquake， hereafter the anti- shake development of direction etc. is provided fo reference. 

【Key words】Earthquake; Wenchuan; School construction; Carve structure; Precast slab; Tumble down; Anti- earthquake concept designs

1. 工程概況

5月12日四川汶川發生里氏8級地震，地震發生后，地震災區中學校建筑大部分倒塌，根據四川省教育廳的數據顯示，重災區學校倒塌面積為199.7228萬平米，學生死亡4737人。在15所垮塌最為嚴重的學校中，以聚源中學、北川中學倒塌房屋較多，造成老師、學生傷亡慘重，如北川中學震前在校的學生有2800多人，現在只有2000多人生還。兩幢教學樓，其中1#教學樓1998年建成并評為優質工程，移為平地，2#教學樓是2003年建成的，12層倒塌。聚源鎮上建筑倒塌并不嚴重，但是聚源中學倒塌非常嚴重。學校兩棟中心教學樓，一棟建于1988年，一棟建于1992年，完全倒塌，和定向爆破的現場一樣，完全跨塌后根本看不出是什么結構、什么布局、什么受力形式。很多市民對學校這種公共性的建筑物抗震能力比其它建筑物差，甚至不堪一擊表示費解，表示對工程質量的懷疑。

2. 結構的抗震能力分析

2.1場地選擇不當。

建筑場地的地質條件與地形地貌對建筑物震害有顯著影響，這已為大量的震害實例所證實。

四川省位于印度板塊和歐亞板塊兩個大陸板塊的交界處附近，特別容易發生地震。5000萬年前，印度板塊在與歐亞板塊碰撞之前是個島嶼；目前印度板塊在以每年兩英寸的速度向北推移──對板塊漂移來說，這是個不慢的速度。這種快速運動意味著在大陸板塊的邊緣部位積聚了較大的能量，進而引發能量的劇烈釋放，也就是地震。如此強度的地震每50到100年會發生一次。

汶川地震震源離地表較近，只有6英里。震源淺的地震造成的破壞性更大，因為能量的釋放距離地面更近，引發的震動更劇烈。

與此同時，在距離震中較近的地區，由于長江在四川盆地形成了厚厚的沉積層，地質結構不穩定，震動更為嚴重。研究者表示，不牢固的地層使地震的破壞力增大，而且土壤肥沃的四川盆地人口密集，增大了人員傷亡的數量。

震央汶川是屬于不利地段，這種地段為發震斷裂帶上可能發生地表錯位的部位，是一個地震相當活躍的地區。

2.2地震實際烈度遠超過設防烈度（基本烈度）。

基本烈度為50年內超越概率為10%，罕遇地震烈度為50年內超越概率為2%，一般比基本烈度增加1度。工程抗震設防的三個水準為“小震可用，中震可修，大震不倒”。

根據建筑荷載設計規范要求，汶川地區的抗震設防烈度為7度，而實際烈度為10以上。不僅超過基本烈度而且超過罕遇地震烈度（大概為8度），因此大批房屋倒塌是必然。

2.3砌體結構比框架結構破壞嚴重。

由于砌體結構墻體的脆性性質，地震時易產生裂縫，開裂的墻體剛度降低80%，抗剪承載力降低。在地震動作用下開裂的墻體極易產生平面的錯動，從而大幅度地降低墻體的豎向承載力，因此容易倒塌，并且成碎片狀。

框架結構為超靜定結構，可以有目的地設置人工塑性鉸，耗能構件等，達到設置多道防線的目的，有效防止結構倒塌，破壞一般不會成碎片狀，一般在罕遇地震中為首層柱剪切破壞，損失比砌體結構少。在這次地震中框架結構破壞的也有。北川中學另一幢垮塌2#教學樓建于2002-2003年。為現澆框架結構，這幢5層樓房的一二層幾乎“消失”在地面，上邊3層整體落下，幾乎沒有受損，見圖1。

圖1

建筑抗震設計規范GB50011-2001第7.1.2條限制多層砌體結構的層數，7度設防時，教學樓限制層數比普通建筑降低一層，為6層。在倒塌的學校建筑中，很多為砌體結構，層數未超過6層，但是也倒塌了并且成散落狀，見下圖2、3，北川中學1#教學樓5層L型倒塌前后照片。

圖2

圖3

可見滿足規范要求的層數限制，在罕遇地震下仍然不能達到“大震不倒”這個第三水準要求。

2.4平面布置不規則震害嚴重。

北川中學1#教學樓共五層，呈L形。L較短的一翼，作為辦公樓使用，較長的一翼，則在為普通教室。

根據師生回憶，傷亡最為慘烈的則屬高二(8)班，全部失蹤，該班在1#教學樓三層的多媒體教室上課。這間多媒體教室橫跨普通教室一翼和辦公樓一翼，是L拐角的最中間處。地震發生時，教學樓一翼向外垮塌，而辦公樓一翼則在垮塌時較為向內，巨大的扭力瞬間把多媒體教室撕裂。

平面布置不規則容易造成扭轉效應明顯，產生很大的應力集中，從而造成倒塌。

2.5學校建筑多為縱墻承重，震害比橫墻承重厲害。典型的教學樓建筑平面圖見圖4，結構平面布置圖見圖5。

圖4

圖5

由于教學樓本身功能的要求，開間較大，因此橫墻間距比縱墻間距大，考慮外走廊的結構，往往為了布置一些次梁及挑梁，支坐為縱墻。因此以縱墻承重為主。

抗震橫墻的多寡直接影響到房屋的空間剛度。橫墻數量多、間距少，結構的空間剛度越大，抗震性能越好。橫墻間距過大，樓蓋剛度可能不足以傳遞水平力到相鄰墻體。橫墻間距過大，對縱墻的拉結較弱，而且縱墻由于建筑要求門洞很多，剛度削弱較厲害，容易造成縱墻因彎曲破壞而造成大面積的墻體甩落。

2.6外廊式房屋破壞往往較嚴重。

學校建筑一般為單邊的走廊，質心與首層形心存在偏心距，在水平地震中走廊護攔、樓板容易往外甩，在豎向地震中“一邊重，一邊輕”容易傾覆或造成房屋橫墻挑梁處開裂，引起房屋的倒塌，見圖6。

圖6

內廊式建筑破壞較少，圖7為宿舍樓走廊外設柱子，相當于內走廊的受力形式，未有倒塌，當然宿舍樓橫墻較多，也是抗震能力較強的原因之一。

圖7

2.7裝配式預制板結構比現澆結構破壞重。

樓層的水平地震力V一般假定由該方向的各抗震墻承擔，V在各墻體之間的分配重要取決于樓蓋的水平剛度和各墻體的側移剛度。樓蓋剛度小，橫墻間距大，在地震力作用下，樓蓋平面變形除了平移外尚有彎曲變形。倒塌教學樓很多使用的是裝配式框架或砌體結構，梁柱中鋼筋數量較少，用于擱置預制板的挑耳尺寸較小，因此地震時骨架晃開了，預制板就往下掉，整棟樓就塌了，但是很多預制板還是完好無缺的，見圖8，北川中學倒塌1#教學樓。

聚源中學倒塌的教學樓剩下樓梯間，其它的已經倒塌，見圖9。該樓屬于裝配式預制板結構，由于樓梯踏步多為現澆板，基本屬于整棟樓房里的唯一現澆構件，整體性較好，而且樓梯間橫墻間距相對較小，抵抗水平力較好，因此樓梯間保存下來。

圖8

圖9

2.8農村義務教育經費投入不足，施工質量把關不嚴。

上世紀末，農村中小學建設由鄉鎮自籌資金，建成一批“三無”(無規范設計、無規范施工監理、無規范竣工驗收)校舍，很多達不到《建筑抗震設計規范》GB50011-2001的要求。這次垮塌的校舍中，相當一批就是建造于上世紀80年代末90年代初，聚源中學兩棟教學樓一棟建于1988年，一棟建于1992年，北川中學1#教學樓建于1998年。

與城市相比，總體感覺是基層的小學受災情況非常嚴重。鄉鎮學校本來款項就不多，因此無論是建筑的標準，還是建筑的投入、質量都比較差。

3. 學校建筑結構方案及其它建議

在學校建筑中抗震設防應該重視概念設計，概念設計在總體上把握抗震設計的基本原則：注意場地選擇，把握建筑體型，利用結構的延性，設置多道防線。

3.1注意場地選擇。

地震區的建筑應該選擇有利地段、避開不利地段，不在危險地段進行工程建設。確實需要在危險地段進行工程建設時，應適當提高相關的抗震措施。

勘察單位在勘察報告上要及時準確揭露場地土類型，斷裂帶、不良地段、液化土情況。

3.2把握建筑體型。

結構平面采用對稱結構，減輕結構的地震扭轉效應；結構質量中心與結構剛度中心應該一致，減輕結構的地震扭轉效應；結構立面方向，沿結構高度方向，結構質量、剛度不宜有突變，首層墻柱適當加強。

3.3利用結構的延性。

大跨度的學校建筑少采用砌體結構，應采用鋼筋混凝土框架結構，這樣可以避開縱墻承重這個問題 。

3.4設置多道防線。

大跨度的學校建筑少采用裝配式預制板結構，應該采用超靜定結構，即現澆鋼筋混凝土結構，設置多重防線。強調“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”的抗震基本理念。

必須采用裝配式預制板結構時應該加強預制板間之間及預制板與墻之間的連接，提高樓板的整體剛度。

3.5學校建筑減少懸挑構件。

學校建筑一般為單邊的走廊，在走廊設置外排柱，做成內走廊形式，這樣質心與各層形心基本不存在偏心距，墻柱受壓均勻。

3.6當必須采用砌體結構時，嚴格控制層數、高度，建議不超過3層。可以采用墻體配筋，構造柱-圈梁體系，增強縱橫墻連接縱墻加大壁柱等抗震措施。

3.7加強農村義務教育經費投入，嚴把質量關。

在相同地區，地震烈度是相同的，倒塌與沒有倒塌的房屋在設計和施工上就有很大的區別。因此在學校建設中要統一規劃、規范設計、規范施工監理、規范竣工驗收，嚴格按《建筑抗震設計規范》GB50011-2001進行建設層層把關。

3.8公共建筑的抗震標準是否應高于當地民居建筑。

《建筑抗震設計規范》GB50011-2001第3.1.1條乙類建筑應屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑，第3.1.3條乙類建筑應符合本地區抗震設防烈度提高一度要求。但規范并沒有明確表明公共建筑屬于乙類設防。公共建筑倒塌容易造成群死群傷，是否應該提高抗震設防標準，這是一個值得考慮的問題，當然提高抗震設防標準后工程的造價也會提高。

3.9國外很多公共性建筑物為隔震設計，在國內應該推廣，隔震是通過采用一定的耗能裝置或附加子結構，吸收或消耗地震傳遞給主體結構的能量，從而減輕結構的震動。大量的實驗研究表明，合理的結構隔震設計，一般可使結構的水平地震加速度反應降低60%左右。

3.10加強抗震知識、措施的普及工作。

在國外很多先進的國家，中小學進行火災、地震逃生的演習訓練。在這方面做得比較好的是日本，幾乎每個市民都知道地震發生時如何去面對。國內在這方面應該加強，從小培養學生的逃生、自救能力。

4. 結語

大量校舍垮塌導致的學生傷亡，成為5#8226;12汶川8.0級大地震中最令人心痛的一幕。很多房屋特別是公共建筑抗震能力遠遠不夠，很多鄉、鎮的抗震知識未普及，抗震的預防措施非常無力。作為工程人員，應該有保障人民群眾生命財產的責任感，應該對受災地區房屋損壞情況進行調研，收集大量現場資料，認真總結血的教訓。在公共建筑建設中要以《建筑抗震設計規范》GB50011-2001為基礎，加大投入，適當提高抗震設防標準，采取強有力抗震措施確保公共建筑不倒塌，有效防止群死群傷的悲劇重演。

參考文獻

［1］GB50010-2002.混凝土結構設計規范

［2］GB50003-2001.砌體結構設計規范

［3］GB50011-2001.建筑抗震設計規范

［4］李國強. 建筑結構抗震設計

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［文章編號］1619-2737（2011）06-04-031

［作者簡介］林惠庭，男，國家注冊結構工程師，中級職稱，主要從事結構設計及工程質量監督工作。