震后汶川學校建筑重建的調研與思考

震后汶川學校建筑重建的調研與思考

呂秋晨，劉希，孫欲順，張磊

（重慶大學土木工程學院重慶400045）

針對地震后汶川學校建筑的破壞狀況和災后重建工作進行了調研和分析，了解了學校建筑破壞嚴重的原因，重建工作重視在學校建筑中適當提高抗震設防標準，并廣泛采用了先進的隔震效能技術。

汶川地震；學校建筑；隔震；調研；思考

1 引言

汶川地處我國一個大地震帶——南北地震帶上，中部地區的中軸地震帶位于經度100度到105度之間，涉及地區包括從寧夏經甘肅東部、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，是個地震多發區域。2008年發生在汶川的5·12大地震給人們帶來了巨大的生命財產損失，尤其是在人流密集度高，人流量大且頻繁的學校建筑中，傷亡更加慘重。四川近7000座學校建筑倒塌，大量校舍坍塌，導致學生傷亡近萬人。

汶川地震之后，對于如何在地震后給地震區域百姓建設一個安全、適宜居住的家園，尤其是學校建筑在地震時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，專家學者們重新修訂了汶川地震區域的抗震等級，政府與各援建局一起，圍繞建設“強震中不倒的安全房屋”的思想為指導，對于學校建筑提高了抗震等級，并引入了先進的隔震減震技術。

目前的建筑物是通過增強結構本身的抗震性能來抵御地震力作用的，震害實踐表明，對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。而隔震技術和抗震思路不同，它不是著眼于工程本身的強度、剛度、柔性，而是企圖利用一種裝置把建筑物和基礎隔開，以達到使建筑物不破壞的目的。作為土木工程專業學生，實地了解地震災害的破壞性和重建工作中的先進技術，對于專業課程的學習將會有很大的幫助。因此，我們在大學生科研計劃項目“學校建筑抗震結構調查與分析”的研究中，針對地震后汶川學校建筑的破壞狀況和災后重建工作，結合專業知識到地震災區進行實地調研。

2 汶川災區學校建筑震害分析

地震前，汶川地震區建筑抗震設防烈度在都江堰和汶川都是7度，但震時都江堰地震烈度達到8～9度、汶川地震重災區映秀鎮地震烈度達到10～11度，實際地震烈度已達到或超過了本地區設防水準的罕遇地震。在這次地震中，學校建筑受災嚴重，收集到的學校建筑破壞情況的幾幅圖片示于圖1中[1]。

圖1 學校建筑破壞情況

查閱相關文獻，可知學校建筑的嚴重破壞主要歸結于以下幾個因素：

一是工程的選址不當，沒有避開地震活動地帶和大的地質斷裂帶。對校舍建筑重視不夠，抗震設防過低。我國的結構抗震設計原則是小震不壞，中震不修，大震不倒，在抗震設計規范中，將建筑劃分為甲乙丙丁四類，前兩類作為標志性建筑，或指揮性建筑，抗震設防要求較高，而在汶川地震前該地區的中小學校舍多按普通建筑劃分為兩類建筑，只能滿足抗震設防烈度，一旦遇到類似此次汶川8.0度的罕遇地震時，抗震性能明顯不足。

二是結構造型不合理，學校建筑作為特殊建筑具有內部空間跨度大、荷載高，教學樓墻體高寬比不當，且長期處于動靜荷載的反復作用，人員密集，疏散時間長等特點。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置樓板的結構形式，且大多數建筑沒有加圈梁。這些隱患在平時單純豎向荷載作用下不明顯，一旦遇到地震、風暴等外界破壞力，極易誘發瞬間整體垮塌，如圖1（b）汶川璇口中學的校舍整體倒塌就屬于這種情況【3】。

三是施工質量太差。對于此次汶川地震，四川省建設廳出了一份關于校舍大面積垮塌情況的專項分析報告，報告認為導致此次地震的學校大面積垮塌的主要原因有三方面：一是建筑設防標準低，而是地震烈度太大，三是部分建筑結構設計不合理和施工質量控制不合理。而其中一個最為重要的原因是施工質量太差。

3 汶川災后學校重建工程調研

2009年10月，項目組進行汶川災后實地考察和調研。先后走訪了都江堰光明團結小學，汶川幼兒園，汶川第一小學，汶川第二小學，汶川第一中學。在汶川幼兒園，汶川第一小學，汶川第二小學，親眼目睹了學校建筑的重建工作和聆聽了相關技術人員對重建工作中采用的抗震措施和先進的隔震消能技術的詳細介紹。限于篇幅，本文僅介紹幾個有特色的重建學校建筑。

首先介紹汶川縣幼兒園。汶川幼兒園項目投資2394.00萬元，采用了先進的幼兒園設計理念，外墻選擇簡潔明快的現代風格，五顏六色的“糖果盒子”蘊含童真與意趣，為孩子們創造出天真爛漫的幻想空間。其立面設計簡潔大方，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。在考慮地震應對措施上，采用了先進的組合基礎隔震技術【2】，使用隔震支座32個，包括滑板支座20個，橡膠支座12個，以減小地震作用。在幾棟建筑物之間還設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件，利用兩棟建筑在地震時振動周期的不同，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部構造圖

圖3 汶川一小以及梁廊柱構造

廣州建設局援建的汶川一小是汶川縣規模最大的小學，造價7200萬元，建筑風格為歐式風格，環境色彩活潑自然，校園空間嚴謹莊重，傳承文化又不失現代感。學校設施的先進程度至少20年不會落后。由于工期短未能使用隔震技術，采用框架結構，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的學校建筑采用預制板結構，從整體抗震性能上來說提高很多。

汶川二小項目投資5480.00萬元，是一所傷殘無障礙小學，呈現羌族建筑風格，設有書法教室、遠程教育教室等，是一間兼有對殘疾人進行特殊教育功能的新型小學，如圖4（a）所示。汶川二小在建設中采用了橡膠隔震墊、隔震過道板、阻尼器等先進隔震新技術，在建筑物基礎上與上部結構之間以及上部建筑層間設置由隔震器、阻尼器等組成的隔震層，減少輸入到上部結構的地震能量，降低上部結構的地震反應，達到預期的防震要求。隔震支座安置在首層以下豎向構件的下面，便于維護人員接近的部位，外露預埋件有可靠的防銹措施。汶川二小共采用了隔震支座134個，如圖4（b）所示，包括彈性滑板支座46個、疊層橡膠支座88個，使用阻尼器8個，隔震支座專門設置一層，高度兩米左右。典型的滑板支座是在基礎面上設滑移層。當地震強度達到一定程度時，滑移層受到地震作用大于摩擦力，滑動面通過滑移消耗和阻止地震能量上傳，起到隔震作用，達到即使地震強度增大，上部結構內力變形也不增加的目的【4】。隔震墊上方的縱、橫梁采用現澆鋼筋混凝土結構；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、柱在設置隔震墊的位置，考慮沖切和局部承壓，加密箍筋根據需要配置成網狀鋼筋，抗震防震明顯有效。通過隔震裝置，將減弱或改變地震動對結構的作用，達到減小結構振動的目的，汶川二小的建設打造出地震區精品工程，可抗九級地震。

圖4 汶川二小全景及其抗震設計

在汶川二小及幼兒園使用的基礎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置了厚度約10mm的“保護層”；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，其價格只有橡膠隔震支座的1/3。根據廣州援建汶川縣第二小學項目的經驗，大面積的推廣使用滑板支座可以降低土建工程造價30～50元/ m2【2】。

4 對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的抗震設計和隔震設計，不同的模式達到了殊途同歸的效果，兩種方法的比較列入表1中。

表1 【5】基礎隔震設計和傳統抗震設計對比

汶川一小采用傳統形式，雖然造價技術相對較低，可是相比汶川二小采用隔震技術來講，不是去隔離地震的影響，而是依賴結構本身的強度和剛度去抵抗地震作用，就要求結構本身有足夠的抗震能力，而不得不加大梁柱截面面積。隔震技術安全可靠，大地震時隔震結構水平方向加速度反應僅為傳統抗震結構的1/3～1/8（即安全度提高3～8倍）。采用隔震技術，強震時不僅房屋不會損壞、倒塌，功能系統也不會被損壞；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“應急指揮中心”【1】。基礎隔震結構體系通過設置隔震層，由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量。隔震層的設置改變了上部結構的自震周期，降低了結構的地震反應，確保上部結構在大地震時仍可處于彈性狀態，或保持在彈塑性變形的初期狀態，做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”，成為大地震中的“避難所”。但是隔震技術仍有它自身的弱點，比如工期延長，造價提高，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，對豎向地震幾乎沒有減震作用。豎向地震對一般的建筑物影響不大，但對一些大跨度和長懸臂結構，豎向地震作用影響會很大。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。比如一般認為，低層建筑物柱子傳來的軸力不大，采用隔震系統后效果明顯。以前我國采用隔震技術的建筑大多是多層框架結構或砌體結構，隨著經濟的發展高層建筑日益增多，如何在高層建筑中采用隔震技術成為一大難題。這就要求我們新一代的土木人今后不斷探索不斷創新，以改進它的不足【6】。

要在防震減震的同時建設更經濟合理的建筑，還需要傳統抗震和隔震相結合；在安全性要求不高、人流不密集的輔助房屋可以采取傳統抗震形式，在主要的教室寢室采取隔震措施。還應充分考慮地形特點，在基礎較好的基巖上可以適當減少隔震技術的利用，并逐步擴大隔震技術的應用范圍和完善程度。

5 結語

針對地震后汶川學校建筑的破壞狀況和災后重建工作進行的調研和分析表明，學校人口聚集，建筑破壞嚴重，人員傷亡慘重，5·12地震前大多抗震設防標準低，抗震措施嚴重不足，絕大多數教學樓為磚砌體加預制混凝土樓板結構，圈梁構造柱設置不夠，整體性不強。在強地震作用下，墻體脆性受剪破壞，預制樓板因與墻體（圈梁）缺少可靠連接，造成倒塌。重建工作重視在學校建筑中適當提高抗震設防標準，房屋建筑設計要實現“強柱弱梁”機制，加強整體性，同時注重學校的選址，并廣泛采用了先進的隔震技術。隔震技術是目前最有效的防御地震的技術，它應用于汶川，也將應用于全國各個區域地方，隔震技術將有很好的應用前景。

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

[2]楊隨新.關于隔震技術在威州重建中應用情況的報告1[R].廣州建設局，2009，11:3-4.

[3]楊隨新.關于隔震技術在威州重建中應用情況的報告2 [R].廣州建設局，2009，11，:4及附件8

[4]王翠昆，楊沈.汶川地震對建筑結構設計的啟示[J].震災防御技術，2008，3(3):233-234.

[5]王永衛，王群偉，杜杰.隔震技術的應用與發展[J].山西建筑，2009，35(27):75.

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

[7]吳兵，馮沛蕓.中國隔震技術淺析[J].深圳大學學報（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

項目資助：重慶大學大學生科研訓練計劃項目“學校建筑抗震結構調查與分析”

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08級學生。