初探我國中小學建筑和救災關鍵建筑抗震對策

李慶 謝何 李晶晶

0 引言

2008年5月12日在我國四川汶川發生的特大地震震驚了海內外,特別是地震區的許多中小學教學樓嚴重損壞及倒塌,據統計四川全省共有13 768所學校受到不同程度的損壞。需要恢復重建或維修加固的學校達到11 687所。在51個受災嚴重縣市的5 979所中小學中,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。災難并未因為時間的流逝而消失,2010年4月14日青海玉樹發生7.1級大地震,災區校舍總面積139 175 m2,倒塌 36 572 m2,危房61 574 m2。

中小學區域人口密度高,流動量大而且頻繁,教學和附屬生活設施相應集中。由于各種復雜的因素,由地震災害及其地震引起次生災害的可能性和危害性要比其他類型建筑大得多。地震發生后,因醫院、學校食堂、救災指揮中心、通訊樞紐、公共避難建筑等救災關鍵建筑在一定程度上的受損,給救災任務帶來較大的阻力,造成嚴重的生命及財產損失。因此如何完善中小學建筑和救災關鍵建筑的規劃、設計理念和防震措施,是當代建筑從業人員急需探尋的重要問題。

1 災區調研及大震設計對策

1.1 災區震害的調查研究

深入地震災區開展震害調查是研究工作的首要步驟,專業人員應通過研究典型中小學建筑的震害特征,分析地震中小學建筑破壞及倒塌原因和機理,逃生通道的可靠性,及其災后作為避難場所的可用性,提出相關的技術措施和對策建議。為了保護人的生命安全,對學校、醫院等人口密集、人群自救能力差的地方要提高標準,進一步加強其抗震能力,特別是像學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比較先進的國家,中小學建筑是最安全的建筑,在發生地震等自然災害的時候,中小學是最主要的避難場所[1]。

1.2 完善結構大震設計方法

目前我國缺乏建筑結構大震設計方法和大震性能化設計方法,使得中小學建筑和救災關鍵建筑在大震下的抗震性能缺乏保障依據。因此,研究人員可根椐中小學教學樓現有設計特點和經驗教訓,制定新的規劃、設計理念和防震措施,使其具有較高的抗震能力,以期提高教育工程的質量,避免災難重蹈覆轍。

例如優化建筑設計方案,調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校建筑的抗震能力。我國現有中小學建筑規定為5層以下,做到小學建筑層數不超過3層,中學建筑層數不超過4層,對提高結構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重的,在中小學建筑的外廊構造中應盡量避免選擇懸挑式結構。

2 結構抗震新技術的研究和應用

2.1 加大結構抗震新技術研究并推廣應用

隨著隔震、消能減震、自復位等高性能抗震減震新技術和高性能材料的研究進展,一些成熟的成果可在中小學建筑和救災關鍵建筑進行推廣應用,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構和非結構的損傷,并能在地震后迅速恢復其使用功能,能在震后保障其使用功能,實現可用性。為適應和實現中小學建筑和救災關鍵建筑的大震性能目標要求,要采取各種新型結構抗震體系及其相應抗震措施,如中小學建筑的約束砌體結構和鋼筋混凝土框架填充墻結構,以及各種高性能低損傷新材料的應用,保證大震下的安全性。

例如基礎隔震這種新型防震技術是目前較為成熟的一種結構抗震方法[2]。通過在上部結構與基礎之間安裝隔震層,地震時震層出現較大的集中變形,從而降低了上部結構加速度、速度和位移,使結構免遭破壞。近些年來基礎隔震技術不論在理論研究還是設計等方面都有很大的發展,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隔震實施的建筑,經歷了高烈度地震考驗后,房屋仍完好無損的實例[4]。

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

2.2 新型結構抗震加固技術

對于既有和震損中小學建筑和救災關鍵建筑,建筑專業人員應研究震損建筑抗震設防水準、震損砌體、混凝土、木和磚木結構的可修指標、抗震能力計算方法,加固后的抗震能力計算方法,以及相應的可靠有效的抗震加固措施,例如:附加子結構加固、隔震加固、消能加固、纖維增強復合材料(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 關鍵設備的防震損設計與加固方法

救災關鍵建筑中的各類救災設備功能的正常發揮,對保障救災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。通過研究關鍵設備的防震損設計與快速恢復或修復對策,如:樓面加速度分析、樓層隔震,可提高救災關鍵建筑中的救災設備在特大地震下的可靠性。樓道是救災關鍵設備之一,樓梯間應具有良好的采光;盡量不要把樓梯間布置在建筑平面的盡端,而最好在中間;內廊式教學樓在滿足建筑功能和規范要求的前提下應適當增加樓梯間的數量,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 建筑規劃與科普宣傳

中小學建筑在校園整體規劃中應將安全疏散作為首選考慮因素,應特別注意充分利用學校操場作為防災疏散的主要場所。就像城市規劃中將城市公園、綠地、體育場作為防災場所一樣。當地震發生時,學生應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。校園規劃中教學樓建筑的空間組成與操場位置關系的確定,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教育。為了將自然災害造成的損失降至最低,日本除了制定防災救災法律體系、建立防災救災機構外,還十分重視開展群眾性的防災減災教育活動,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減災知識的宣傳教育,使社會公眾增加災前防御意識、災時自救和互救能力以及災后抗災救災的能力。宣傳、教育、文化、廣電、新聞出版等有關部門要通過圖書、報刊、音像制品和電子出版物、廣播、電視、網絡等,廣泛宣傳應急法律法規和預防、避險、自救、互救、減災等常識,增強公眾的憂患意識、社會責任意識和自救、互救能力。

5 結語

我們相信通過優化中小學建筑和救災關鍵建筑的大震和特大地震下的抗震設計,以實現不同需求的“大震可用”為目標的中小學建筑和救災關鍵建筑的先進結構體系、新型減震建筑技術應用和高性能減震與抗震材料的推廣應用,提出將先進體系、技術、材料與科學普及集成融合為一體的中小學建筑設計理念,普及抗震防災意識,中小學建筑和救災關鍵建筑不僅能達到預期的抗震設防目標,而且在遭受罕遇地震時有可能達到“大震可用”的高水準,成為安全的抗震避難所。

[1] 車四林.從震害談中小學規劃、設計理念和防震措施[J].科技信息,2009(7):18-19.

[2] 白 風.論我國中小學教學樓防倒塌的抗震概念設計[J].工業建筑,2009(3):54-55.

[3] 賈佰科.簡述消能減震結構的抗震設計方法[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.完善城市防災減災體系確保社會可持續發展[J].城市開發,2004(10):8-9.