中小學建筑安全與抗震性能研究

單體軍　李長營

【摘 要】 對現有中小學建筑根據安全性及抗震能力劃分等級，做加固處理。對于將要建設的學校建筑要嚴格按照最新的抗震標準建設，框架結構可以實現預期的中震和大震抗震性能目標。可推進輕型木結構在我國的應用。加強建筑工程的質量監管，保障學校建筑的抗震安全性能。

【關鍵詞】 框架結構 抗震性能 結構設計

由于學校的特殊功能，且人口密度高，流動量大，所以在學校建筑設計上多以砌體結構為主，多采用大跨度開間、大門窗，外挑式走廊，抗震性能差，甚至沒有抗震措施。

2008年5月12日我國四川汶川發生了特大地震，在受災嚴重縣市的5 979所中小學中，倒塌的校舍建筑約占29%， 2010年青海玉樹地震，災區校舍倒塌36 572 m2，。占校舍總面積的26%，專家分析，我國歷次大地震死亡人員總數的95%是由于建筑物倒塌所致。

我國是個多震國家，中小學人群自救能力差，對學校建筑抗震能力的提高成為急需研究的課題。對于現有學校建筑安全性和抗震能力劃分等級，對于將要建設的學校建筑嚴格按照最新的抗震標準建設。

下面僅就汶川地震中三種常見建筑框架結構，做一點簡單分析：

1、砌體結構。汶川地震中砌體結構的建筑遭受了非常嚴重的損壞。因其抗拉、抗剪和抗彎曲性能較低，導致建筑結構的整體伸縮性能較差。因而房屋因整體性能差，結構抗變形能力弱而遭到嚴重損壞。主要表現為：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。在用非韌性材質組成的砌體結構中，安裝約束構造柱和圈梁柱和圈梁，可提升砌體的延伸性。例如：位于白鹿鎮中心小學的一幢砌體結構教學樓。在做了七級抗震設防后，在八級在地震作用下墻體雖然有裂縫，構造雖然嚴重損壞，但實現了“大震不倒”的 抗震目標的。砌體結構合理設置圈梁和構造柱，由于“箍” 的效應，提高了結構的整體性。

2、鋼筋混凝土框架結構。在汶川地震倒塌的房屋中也有一部分采用了框架結構的建筑，但多為單跨框架，外接挑式走廊，并無支撐柱。這種構造的走廊由于沒有抗震防震設置，成為抗震的薄弱環節，在地震中會導致救生通道被破壞，無法實現自救，從而導致重大傷亡。如果在外走廊處增設支撐柱，并用鋼筋混凝土設計成多重跨度的框架結構，則形成具備多重抗震保障的構造形式，防震性能可以得到一定的改善。汶川縣映秀鎮漩口中學的一幢教學樓和一幢實驗樓，在抗震設計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構，在地震烈度11度地區，盡管嚴重損壞，但實現了“大震不倒”的目的，全校1200名師生的生命得以保障。因此，學校建筑應從結構的整合性、力的傳遞路線、多重抗震設防等抗震概念設計方面給予加強。

3、底框磚混結構。中國經常用于多層建筑結構。這樣的房屋是由底架和上部磚房2種不同負荷和抗側力體系所構成。因房屋底層縱橫承重墻少、跨度大，上部縱橫墻多，跨度相對小，這種結構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。在地震震動下，往往因房屋下層結構剛度小，在房屋底部容易產生集中變形，降低了結構的抗震性能，導致結構的破壞。因此，在底框磚混結構設計中，應避免由于垂直結構剛度突變而降低結構的抗震性能。

對于待建學校建筑，要加強各環節抗震研究設計工作和監管力度。

1、正確進行建筑物的選址。避開地震多發帶建造建筑物，把學校建筑設計在相對安全的區域，是避開地震災害和保障生命及建筑安全的關鍵。

2、加強各個設計環節

校園整體規劃設計中首先要確定教學樓與操場的空間關系，能將師生安全疏散到安全地帶作為首要因素，當大震來臨時，學生可用較短的時間迅速地撤離到大操場。

目前我國學校建筑結構的防震設計方法和抗大震性能設計方法較匱乏、缺乏經驗。使中小學建筑的防震減災性能缺乏保障性依據。因此，需要研究人員根椐中小學教學樓現有的設計特點和其抗震、防震經驗教訓，制定適合我們中小學校的設計、規劃方案，大膽創新設計理念、創造出合理的防震減災建筑措施，使其具有高抗震性能，提高教育工程的質量，避免災難重演。例如教室的平面觀念的變化。在不降低教室使用功能的前提下，縮短教室開間寬度、增大進深。可設計成正方形的房間或水平矩形教室；中國現有學校建筑法規為5層以下，小學建筑層數不能超過3層，中學建筑層數不超過4層，并且對提高結構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，損壞最嚴重就是外挑式走廊結構，在今后的中小學建筑的設計中應避免這種結構設計。

樓道是救災關鍵設備之一，樓梯間應具有良好的采光；樓梯間的一旦破壞，就直接切斷了人員的逃生通道。最好設計樓梯的中間位置；內廊式建筑在滿足建筑功能和規范要求的前提下應盡量增加樓梯間的數目，如從2部樓梯增加到3部，用以提高疏散速度，縮短逃離時間。[1]

在這次地震中，框架結構的抗震性能表現較好，若能保證施工質量，框架結構可以實現預期的中震和大震抗震性能目標。但框架結構的內外裝飾飾面、圍護結構、填充墻的破壞嚴重，仍然造成了較大的生命和財產損失，在今后的抗震設計中，應重點加強圍護配件、填充墻與主體框架的構造研究。設計人員可以參考“最牛校長“葉志平的實例。以下是經過地震考驗的兩種優良建筑結構及消能減震材料：

1、輕型木結構。由于木材的韌性大，對于瞬間沖擊力和周期性疲勞破壞都有很強的抵抗力，具有較高的抗震性能。汶川地震中都江堰青城山青城項目部分別墅采用了輕型木結構。地震后，經考察發現200m2的輕型木結構房屋底層裂縫最多的為6處，二層裂縫最多的為2處，且多為門窗洞口等角部的細小裂縫，對結構位造成任何影響。隨著我國林業的發展，很多速生木材可用于建筑結構中，所以設計人員可以加強對輕型木結構的設計，推進輕型木結構在我國的應用。

2、輕型鋼結構。輕型鋼結構輕鋼結構住宅是以冷彎型鋼、熱軋或焊接H型鋼、T型鋼等經濟型構件和焊接鋼管或無縫鋼管及好的吸能能力和延性，能有效降低地震響應，是抗震性能良好的結構材料。[2]

3、消能減震材料的應用。消能減震加固方法就是通過在結構上安裝消耗減震裝置來達到抗震目標。目前應用較好消能減震材料的有消能阻尼器和橡膠墊等。

結構形式的抗震性能按以下順序依次增強：砌體結構——砌體-框架混合結構——框架結構——框架-剪力墻（核心筒）結構/鋼結構。除了各建筑結構自身防震能力的有所不同外，工程質量對結構的防震能力也會有一定的影響，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量問題，因此在施工上應嚴格保證工程材料質量、保證工程施工質量，加強中小學建筑的監管力度，保障房屋的抗震安全性能。[3]

參考文獻

[1] 李慶，謝何，李晶《初探我國中小學建筑和救災關鍵建筑抗震對策》.《山西建筑》2010年8月期刊；

[2] 王玉嵐《汶川地震引發的建筑結構抗震安全性能探 》.建材世界 2009年 10 期刊；

[3] 佟建國，韓家軍，任思澤.《消能減震加固技術應用》.《四川建筑科學研究》2009年12.