中小學(xué)建筑安全與抗震性能研究

單體軍　李長(zhǎng)營(yíng)

【摘 要】 對(duì)現(xiàn)有中小學(xué)建筑根據(jù)安全性及抗震能力劃分等級(jí)，做加固處理。對(duì)于將要建設(shè)的學(xué)校建筑要嚴(yán)格按照最新的抗震標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，框架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的中震和大震抗震性能目標(biāo)。可推進(jìn)輕型木結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用。加強(qiáng)建筑工程的質(zhì)量監(jiān)管，保障學(xué)校建筑的抗震安全性能。

【關(guān)鍵詞】 框架結(jié)構(gòu) 抗震性能 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于學(xué)校的特殊功能，且人口密度高，流動(dòng)量大，所以在學(xué)校建筑設(shè)計(jì)上多以砌體結(jié)構(gòu)為主，多采用大跨度開(kāi)間、大門(mén)窗，外挑式走廊，抗震性能差，甚至沒(méi)有抗震措施。

2008年5月12日我國(guó)四川汶川發(fā)生了特大地震，在受災(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%， 2010年青海玉樹(shù)地震，災(zāi)區(qū)校舍倒塌36 572 m2，。占校舍總面積的26%，專(zhuān)家分析，我國(guó)歷次大地震死亡人員總數(shù)的95%是由于建筑物倒塌所致。

我國(guó)是個(gè)多震國(guó)家，中小學(xué)人群自救能力差，對(duì)學(xué)校建筑抗震能力的提高成為急需研究的課題。對(duì)于現(xiàn)有學(xué)校建筑安全性和抗震能力劃分等級(jí)，對(duì)于將要建設(shè)的學(xué)校建筑嚴(yán)格按照最新的抗震標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

下面僅就汶川地震中三種常見(jiàn)建筑框架結(jié)構(gòu)，做一點(diǎn)簡(jiǎn)單分析：

1、砌體結(jié)構(gòu)。汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)的建筑遭受了非常嚴(yán)重的損壞。因其抗拉、抗剪和抗彎曲性能較低，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的整體伸縮性能較差。因而房屋因整體性能差，結(jié)構(gòu)抗變形能力弱而遭到嚴(yán)重?fù)p壞。主要表現(xiàn)為：塌陷、墻面斷裂、樓板脫離并掉落、橫豎墻連接處、樓梯間及配件被破壞。在用非韌性材質(zhì)組成的砌體結(jié)構(gòu)中，安裝約束構(gòu)造柱和圈梁柱和圈梁，可提升砌體的延伸性。例如：位于白鹿鎮(zhèn)中心小學(xué)的一幢砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓。在做了七級(jí)抗震設(shè)防后，在八級(jí)在地震作用下墻體雖然有裂縫，構(gòu)造雖然嚴(yán)重?fù)p壞，但實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”的 抗震目標(biāo)的。砌體結(jié)構(gòu)合理設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱，由于“箍” 的效應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的整體性。

2、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。在汶川地震倒塌的房屋中也有一部分采用了框架結(jié)構(gòu)的建筑，但多為單跨框架，外接挑式走廊，并無(wú)支撐柱。這種構(gòu)造的走廊由于沒(méi)有抗震防震設(shè)置，成為抗震的薄弱環(huán)節(jié)，在地震中會(huì)導(dǎo)致救生通道被破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自救，從而導(dǎo)致重大傷亡。如果在外走廊處增設(shè)支撐柱，并用鋼筋混凝土設(shè)計(jì)成多重跨度的框架結(jié)構(gòu)，則形成具備多重抗震保障的構(gòu)造形式，防震性能可以得到一定的改善。汶川縣映秀鎮(zhèn)漩口中學(xué)的一幢教學(xué)樓和一幢實(shí)驗(yàn)樓，在抗震設(shè)計(jì)上采用了帶支撐柱式外走廊，形成兩跨度鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在地震烈度11度地區(qū)，盡管?chē)?yán)重?fù)p壞，但實(shí)現(xiàn)了“大震不倒”的目的，全校1200名師生的生命得以保障。因此，學(xué)校建筑應(yīng)從結(jié)構(gòu)的整合性、力的傳遞路線(xiàn)、多重抗震設(shè)防等抗震概念設(shè)計(jì)方面給予加強(qiáng)。

3、底框磚混結(jié)構(gòu)。中國(guó)經(jīng)常用于多層建筑結(jié)構(gòu)。這樣的房屋是由底架和上部磚房2種不同負(fù)荷和抗側(cè)力體系所構(gòu)成。因房屋底層縱橫承重墻少、跨度大，上部縱橫墻多，跨度相對(duì)小，這種結(jié)構(gòu)的房屋底層豎向支撐力度不夠。上下層墻體受力性相差太大，豎向剛度分布不均。在地震震動(dòng)下，往往因房屋下層結(jié)構(gòu)剛度小，在房屋底部容易產(chǎn)生集中變形，降低了結(jié)構(gòu)的抗震性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。因此，在底框磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免由于垂直結(jié)構(gòu)剛度突變而降低結(jié)構(gòu)的抗震性能。

對(duì)于待建學(xué)校建筑，要加強(qiáng)各環(huán)節(jié)抗震研究設(shè)計(jì)工作和監(jiān)管力度。

1、正確進(jìn)行建筑物的選址。避開(kāi)地震多發(fā)帶建造建筑物，把學(xué)校建筑設(shè)計(jì)在相對(duì)安全的區(qū)域，是避開(kāi)地震災(zāi)害和保障生命及建筑安全的關(guān)鍵。

2、加強(qiáng)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

校園整體規(guī)劃設(shè)計(jì)中首先要確定教學(xué)樓與操場(chǎng)的空間關(guān)系，能將師生安全疏散到安全地帶作為首要因素，當(dāng)大震來(lái)臨時(shí)，學(xué)生可用較短的時(shí)間迅速地撤離到大操場(chǎng)。

目前我國(guó)學(xué)校建筑結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計(jì)方法和抗大震性能設(shè)計(jì)方法較匱乏、缺乏經(jīng)驗(yàn)。使中小學(xué)建筑的防震減災(zāi)性能缺乏保障性依據(jù)。因此，需要研究人員根椐中小學(xué)教學(xué)樓現(xiàn)有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和其抗震、防震經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定適合我們中小學(xué)校的設(shè)計(jì)、規(guī)劃方案，大膽創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念、創(chuàng)造出合理的防震減災(zāi)建筑措施，使其具有高抗震性能，提高教育工程的質(zhì)量，避免災(zāi)難重演。例如教室的平面觀(guān)念的變化。在不降低教室使用功能的前提下，縮短教室開(kāi)間寬度、增大進(jìn)深。可設(shè)計(jì)成正方形的房間或水平矩形教室；中國(guó)現(xiàn)有學(xué)校建筑法規(guī)為5層以下，小學(xué)建筑層數(shù)不能超過(guò)3層，中學(xué)建筑層數(shù)不超過(guò)4層，并且對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震能力有明顯提高和改善。

在汶川地震中由于缺少必要的、有效的支撐和連接，損壞最嚴(yán)重就是外挑式走廊結(jié)構(gòu)，在今后的中小學(xué)建筑的設(shè)計(jì)中應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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；樓梯間的一旦破壞，就直接切斷了人員的逃生通道。最好設(shè)計(jì)樓梯的中間位置；內(nèi)廊式建筑在滿(mǎn)足建筑功能和規(guī)范要求的前提下應(yīng)盡量增加樓梯間的數(shù)目，如從2部樓梯增加到3部，用以提高疏散速度，縮短逃離時(shí)間。[1]

在這次地震中，框架結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)較好，若能保證施工質(zhì)量，框架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的中震和大震抗震性能目標(biāo)。但框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外裝飾飾面、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、填充墻的破壞嚴(yán)重，仍然造成了較大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，在今后的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)圍護(hù)配件、填充墻與主體框架的構(gòu)造研究。設(shè)計(jì)人員可以參考“最牛校長(zhǎng)“葉志平的實(shí)例。以下是經(jīng)過(guò)地震考驗(yàn)的兩種優(yōu)良建筑結(jié)構(gòu)及消能減震材料：

1、輕型木結(jié)構(gòu)。由于木材的韌性大，對(duì)于瞬間沖擊力和周期性疲勞破壞都有很強(qiáng)的抵抗力，具有較高的抗震性能。汶川地震中都江堰青城山青城項(xiàng)目部分別墅采用了輕型木結(jié)構(gòu)。地震后，經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)200m2的輕型木結(jié)構(gòu)房屋底層裂縫最多的為6處，二層裂縫最多的為2處，且多為門(mén)窗洞口等角部的細(xì)小裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)位造成任何影響。隨著我國(guó)林業(yè)的發(fā)展，很多速生木材可用于建筑結(jié)構(gòu)中，所以設(shè)計(jì)人員可以加強(qiáng)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，推進(jìn)輕型木結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用。

2、輕型鋼結(jié)構(gòu)。輕型鋼結(jié)構(gòu)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是以冷彎型鋼、熱軋或焊接H型鋼、T型鋼等經(jīng)濟(jì)型構(gòu)件和焊接鋼管或無(wú)縫鋼管及好的吸能能力和延性，能有效降低地震響應(yīng)，是抗震性能良好的結(jié)構(gòu)材料。[2]

3、消能減震材料的應(yīng)用。消能減震加固方法就是通過(guò)在結(jié)構(gòu)上安裝消耗減震裝置來(lái)達(dá)到抗震目標(biāo)。目前應(yīng)用較好消能減震材料的有消能阻尼器和橡膠墊等。

結(jié)構(gòu)形式的抗震性能按以下順序依次增強(qiáng)：砌體結(jié)構(gòu)——砌體-框架混合結(jié)構(gòu)——框架結(jié)構(gòu)——框架-剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)。除了各建筑結(jié)構(gòu)自身防震能力的有所不同外，工程質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的防震能力也會(huì)有一定的影響，汶川地震中破壞和倒塌的房屋中普遍存在著一定的施工質(zhì)量問(wèn)題，因此在施工上應(yīng)嚴(yán)格保證工程材料質(zhì)量、保證工程施工質(zhì)量，加強(qiáng)中小學(xué)建筑的監(jiān)管力度，保障房屋的抗震安全性能。[3]

參考文獻(xiàn)

[1] 李慶，謝何，李晶《初探我國(guó)中小學(xué)建筑和救災(zāi)關(guān)鍵建筑抗震對(duì)策》.《山西建筑》2010年8月期刊；

[2] 王玉嵐《汶川地震引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)抗震安全性能探 》.建材世界 2009年 10 期刊；

[3] 佟建國(guó)，韓家軍，任思澤.《消能減震加固技術(shù)應(yīng)用》.《四川建筑科學(xué)研究》2009年12.