初探我國中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑抗震對策

李慶 謝何 李晶晶

0 引言

2008年5月12日在我國四川汶川發(fā)生的特大地震震驚了海內(nèi)外,特別是地震區(qū)的許多中小學(xué)教學(xué)樓嚴(yán)重損壞及倒塌,據(jù)統(tǒng)計四川全省共有13 768所學(xué)校受到不同程度的損壞。需要恢復(fù)重建或維修加固的學(xué)校達到11 687所。在51個受災(zāi)嚴(yán)重縣市的5 979所中小學(xué)中,倒塌的校舍建筑約占29%,需要加固的建筑約占38%,僅有33%的校舍基本完好。災(zāi)難并未因為時間的流逝而消失,2010年4月14日青海玉樹發(fā)生7.1級大地震,災(zāi)區(qū)校舍總面積139 175 m2,倒塌 36 572 m2,危房61 574 m2。

中小學(xué)區(qū)域人口密度高,流動量大而且頻繁,教學(xué)和附屬生活設(shè)施相應(yīng)集中。由于各種復(fù)雜的因素,由地震災(zāi)害及其地震引起次生災(zāi)害的可能性和危害性要比其他類型建筑大得多。地震發(fā)生后,因醫(yī)院、學(xué)校食堂、救災(zāi)指揮中心、通訊樞紐、公共避難建筑等救災(zāi)關(guān)鍵建筑在一定程度上的受損,給救災(zāi)任務(wù)帶來較大的阻力,造成嚴(yán)重的生命及財產(chǎn)損失。因此如何完善中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑的規(guī)劃、設(shè)計理念和防震措施,是當(dāng)代建筑從業(yè)人員急需探尋的重要問題。

1 災(zāi)區(qū)調(diào)研及大震設(shè)計對策

1.1 災(zāi)區(qū)震害的調(diào)查研究

深入地震災(zāi)區(qū)開展震害調(diào)查是研究工作的首要步驟,專業(yè)人員應(yīng)通過研究典型中小學(xué)建筑的震害特征,分析地震中小學(xué)建筑破壞及倒塌原因和機理,逃生通道的可靠性,及其災(zāi)后作為避難場所的可用性,提出相關(guān)的技術(shù)措施和對策建議。為了保護人的生命安全,對學(xué)校、醫(yī)院等人口密集、人群自救能力差的地方要提高標(biāo)準(zhǔn),進一步加強其抗震能力,特別是像學(xué)校這樣的公共建筑還可以賦予其作為緊急避難場所的功能。在日本等一些建筑抗震技術(shù)比較先進的國家,中小學(xué)建筑是最安全的建筑,在發(fā)生地震等自然災(zāi)害的時候,中小學(xué)是最主要的避難場所[1]。

1.2 完善結(jié)構(gòu)大震設(shè)計方法

目前我國缺乏建筑結(jié)構(gòu)大震設(shè)計方法和大震性能化設(shè)計方法,使得中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑在大震下的抗震性能缺乏保障依據(jù)。因此,研究人員可根椐中小學(xué)教學(xué)樓現(xiàn)有設(shè)計特點和經(jīng)驗教訓(xùn),制定新的規(guī)劃、設(shè)計理念和防震措施,使其具有較高的抗震能力,以期提高教育工程的質(zhì)量,避免災(zāi)難重蹈覆轍。

例如優(yōu)化建筑設(shè)計方案,調(diào)整改變教室平面形式的思路。在保障不降低教室使用功能的前提下,減小抗震橫墻間距、降低建筑體型的高寬比,減小開間、增大進深,采用方形教室或者橫向矩形的教室,從而大大提高中小學(xué)校建筑的抗震能力。我國現(xiàn)有中小學(xué)建筑規(guī)定為5層以下,做到小學(xué)建筑層數(shù)不超過3層,中學(xué)建筑層數(shù)不超過4層,對提高結(jié)構(gòu)抗震能力有明顯效果。由于懸挑式外廊沒有更多有效的支撐和連接,在地震中損壞也是最嚴(yán)重的,在中小學(xué)建筑的外廊構(gòu)造中應(yīng)盡量避免選擇懸挑式結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)的研究和應(yīng)用

2.1 加大結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)研究并推廣應(yīng)用

隨著隔震、消能減震、自復(fù)位等高性能抗震減震新技術(shù)和高性能材料的研究進展,一些成熟的成果可在中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑進行推廣應(yīng)用,不但能使這些建筑保證在特大地震下的安全性,而且還能盡量減少結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)的損傷,并能在地震后迅速恢復(fù)其使用功能,能在震后保障其使用功能,實現(xiàn)可用性。為適應(yīng)和實現(xiàn)中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑的大震性能目標(biāo)要求,要采取各種新型結(jié)構(gòu)抗震體系及其相應(yīng)抗震措施,如中小學(xué)建筑的約束砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架填充墻結(jié)構(gòu),以及各種高性能低損傷新材料的應(yīng)用,保證大震下的安全性。

例如基礎(chǔ)隔震這種新型防震技術(shù)是目前較為成熟的一種結(jié)構(gòu)抗震方法[2]。通過在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間安裝隔震層,地震時震層出現(xiàn)較大的集中變形,從而降低了上部結(jié)構(gòu)加速度、速度和位移,使結(jié)構(gòu)免遭破壞。近些年來基礎(chǔ)隔震技術(shù)不論在理論研究還是設(shè)計等方面都有很大的發(fā)展,而且付諸于工程實踐中。美國、日本、土耳其等國家均有采用基礎(chǔ)隔震實施的建筑,經(jīng)歷了高烈度地震考驗后,房屋仍完好無損的實例[4]。

材料方面例如鋼構(gòu)件,它不僅延性好,且自重小,強度高,鋼結(jié)構(gòu)用螺栓和焊接連接的節(jié)點整體性、延性均好。這里建議,建造在高烈度區(qū)中小學(xué)教學(xué)樓宜選擇鋼框架結(jié)構(gòu),非承重墻采取相匹配的輕質(zhì)板材,可大大地減輕建筑物自重,有效地降低地震力,完全能實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)的應(yīng)用和推廣能逐步提升我國建筑的抗震防災(zāi)能力的技術(shù)水平提供示范。

2.2 新型結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)

對于既有和震損中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑,建筑專業(yè)人員應(yīng)研究震損建筑抗震設(shè)防水準(zhǔn)、震損砌體、混凝土、木和磚木結(jié)構(gòu)的可修指標(biāo)、抗震能力計算方法,加固后的抗震能力計算方法,以及相應(yīng)的可靠有效的抗震加固措施,例如:附加子結(jié)構(gòu)加固、隔震加固、消能加固、纖維增強復(fù)合材料(FRP)加固、新性能水泥基材料加固和新型自密實加固混凝土材料、聚合物砂漿等。

3 關(guān)鍵設(shè)備的防震損設(shè)計與加固方法

救災(zāi)關(guān)鍵建筑中的各類救災(zāi)設(shè)備功能的正常發(fā)揮,對保障救災(zāi)工作的正常開展具有非常重要的意義,而目前我國在此方面的研究還很少。通過研究關(guān)鍵設(shè)備的防震損設(shè)計與快速恢復(fù)或修復(fù)對策,如:樓面加速度分析、樓層隔震,可提高救災(zāi)關(guān)鍵建筑中的救災(zāi)設(shè)備在特大地震下的可靠性。樓道是救災(zāi)關(guān)鍵設(shè)備之一,樓梯間應(yīng)具有良好的采光;盡量不要把樓梯間布置在建筑平面的盡端,而最好在中間;內(nèi)廊式教學(xué)樓在滿足建筑功能和規(guī)范要求的前提下應(yīng)適當(dāng)增加樓梯間的數(shù)量,如從2部樓梯增加到3部,這樣就可以提高疏散速度,減少疏散時間。

4 建筑規(guī)劃與科普宣傳

中小學(xué)建筑在校園整體規(guī)劃中應(yīng)將安全疏散作為首選考慮因素,應(yīng)特別注意充分利用學(xué)校操場作為防災(zāi)疏散的主要場所。就像城市規(guī)劃中將城市公園、綠地、體育場作為防災(zāi)場所一樣。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,學(xué)生應(yīng)能從教室通過較短的空曠的安全通道,迅速地疏散到大操場這一安全地帶。校園規(guī)劃中教學(xué)樓建筑的空間組成與操場位置關(guān)系的確定,其首要原則是確保有利于師生安全疏散。

2003年日本北海道大地震沒有給日本造成特別重大損失,其主要原因就是日本政府長期以來一直對國民進行防災(zāi)教育。為了將自然災(zāi)害造成的損失降至最低,日本除了制定防災(zāi)救災(zāi)法律體系、建立防災(zāi)救災(zāi)機構(gòu)外,還十分重視開展群眾性的防災(zāi)減災(zāi)教育活動,提高了國民的自救能力[5]。我國政府要有針對性地采取多種形式加強防災(zāi)減災(zāi)知識的宣傳教育,使社會公眾增加災(zāi)前防御意識、災(zāi)時自救和互救能力以及災(zāi)后抗災(zāi)救災(zāi)的能力。宣傳、教育、文化、廣電、新聞出版等有關(guān)部門要通過圖書、報刊、音像制品和電子出版物、廣播、電視、網(wǎng)絡(luò)等,廣泛宣傳應(yīng)急法律法規(guī)和預(yù)防、避險、自救、互救、減災(zāi)等常識,增強公眾的憂患意識、社會責(zé)任意識和自救、互救能力。

5 結(jié)語

我們相信通過優(yōu)化中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑的大震和特大地震下的抗震設(shè)計,以實現(xiàn)不同需求的“大震可用”為目標(biāo)的中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑的先進結(jié)構(gòu)體系、新型減震建筑技術(shù)應(yīng)用和高性能減震與抗震材料的推廣應(yīng)用,提出將先進體系、技術(shù)、材料與科學(xué)普及集成融合為一體的中小學(xué)建筑設(shè)計理念,普及抗震防災(zāi)意識,中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑不僅能達到預(yù)期的抗震設(shè)防目標(biāo),而且在遭受罕遇地震時有可能達到“大震可用”的高水準(zhǔn),成為安全的抗震避難所。

[1] 車四林.從震害談中小學(xué)規(guī)劃、設(shè)計理念和防震措施[J].科技信息,2009(7):18-19.

[2] 白 風(fēng).論我國中小學(xué)教學(xué)樓防倒塌的抗震概念設(shè)計[J].工業(yè)建筑,2009(3):54-55.

[3] 賈佰科.簡述消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法[J].山西建筑,2008,34(8):100-101.

[4] 張敏政.近年地震震害幾點啟示[J].工程抗震,2001(1):11-15.

[5] 張建華,程秋萍.完善城市防災(zāi)減災(zāi)體系確保社會可持續(xù)發(fā)展[J].城市開發(fā),2004(10):8-9.