初探我国中小学建筑和救灾关键建筑抗震对策

李庆 谢何 李晶晶

0 引言

2008年5月12日在我国四川汶川发生的特大地震震惊了海内外,特别是地震区的许多中小学教学楼严重损坏及倒塌,据统计四川全省共有13 768所学校受到不同程度的损坏。需要恢复重建或维修加固的学校达到11 687所。在51个受灾严重县市的5 979所中小学中,倒塌的校舍建筑约占29%,需要加固的建筑约占38%,仅有33%的校舍基本完好。灾难并未因为时间的流逝而消失,2010年4月14日青海玉树发生7.1级大地震,灾区校舍总面积139 175 m2,倒塌 36 572 m2,危房61 574 m2。

中小学区域人口密度高,流动量大而且频繁,教学和附属生活设施相应集中。由于各种复杂的因素,由地震灾害及其地震引起次生灾害的可能性和危害性要比其他类型建筑大得多。地震发生后,因医院、学校食堂、救灾指挥中心、通讯枢纽、公共避难建筑等救灾关键建筑在一定程度上的受损,给救灾任务带来较大的阻力,造成严重的生命及财产损失。因此如何完善中小学建筑和救灾关键建筑的规划、设计理念和防震措施,是当代建筑从业人员急需探寻的重要问题。

1 灾区调研及大震设计对策

1.1 灾区震害的调查研究

深入地震灾区开展震害调查是研究工作的首要步骤,专业人员应通过研究典型中小学建筑的震害特征,分析地震中小学建筑破坏及倒塌原因和机理,逃生通道的可靠性,及其灾后作为避难场所的可用性,提出相关的技术措施和对策建议。为了保护人的生命安全,对学校、医院等人口密集、人群自救能力差的地方要提高标准,进一步加强其抗震能力,特别是像学校这样的公共建筑还可以赋予其作为紧急避难场所的功能。在日本等一些建筑抗震技术比较先进的国家,中小学建筑是最安全的建筑,在发生地震等自然灾害的时候,中小学是最主要的避难场所[1]。

1.2 完善结构大震设计方法

目前我国缺乏建筑结构大震设计方法和大震性能化设计方法,使得中小学建筑和救灾关键建筑在大震下的抗震性能缺乏保障依据。因此,研究人员可根椐中小学教学楼现有设计特点和经验教训,制定新的规划、设计理念和防震措施,使其具有较高的抗震能力,以期提高教育工程的质量,避免灾难重蹈覆辙。

例如优化建筑设计方案,调整改变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,减小抗震横墙间距、降低建筑体型的高宽比,减小开间、增大进深,采用方形教室或者横向矩形的教室,从而大大提高中小学校建筑的抗震能力。我国现有中小学建筑规定为5层以下,做到小学建筑层数不超过3层,中学建筑层数不超过4层,对提高结构抗震能力有明显效果。由于悬挑式外廊没有更多有效的支撑和连接,在地震中损坏也是最严重的,在中小学建筑的外廊构造中应尽量避免选择悬挑式结构。

2 结构抗震新技术的研究和应用

2.1 加大结构抗震新技术研究并推广应用

随着隔震、消能减震、自复位等高性能抗震减震新技术和高性能材料的研究进展,一些成熟的成果可在中小学建筑和救灾关键建筑进行推广应用,不但能使这些建筑保证在特大地震下的安全性,而且还能尽量减少结构和非结构的损伤,并能在地震后迅速恢复其使用功能,能在震后保障其使用功能,实现可用性。为适应和实现中小学建筑和救灾关键建筑的大震性能目标要求,要采取各种新型结构抗震体系及其相应抗震措施,如中小学建筑的约束砌体结构和钢筋混凝土框架填充墙结构,以及各种高性能低损伤新材料的应用,保证大震下的安全性。

例如基础隔震这种新型防震技术是目前较为成熟的一种结构抗震方法[2]。通过在上部结构与基础之间安装隔震层,地震时震层出现较大的集中变形,从而降低了上部结构加速度、速度和位移,使结构免遭破坏。近些年来基础隔震技术不论在理论研究还是设计等方面都有很大的发展,而且付诸于工程实践中。美国、日本、土耳其等国家均有采用基础隔震实施的建筑,经历了高烈度地震考验后,房屋仍完好无损的实例[4]。

材料方面例如钢构件,它不仅延性好,且自重小,强度高,钢结构用螺栓和焊接连接的节点整体性、延性均好。这里建议,建造在高烈度区中小学教学楼宜选择钢框架结构,非承重墙采取相匹配的轻质板材,可大大地减轻建筑物自重,有效地降低地震力,完全能实现“大震不倒”的设防目标。结构抗震新技术的应用和推广能逐步提升我国建筑的抗震防灾能力的技术水平提供示范。

2.2 新型结构抗震加固技术

对于既有和震损中小学建筑和救灾关键建筑,建筑专业人员应研究震损建筑抗震设防水准、震损砌体、混凝土、木和砖木结构的可修指标、抗震能力计算方法,加固后的抗震能力计算方法,以及相应的可靠有效的抗震加固措施,例如:附加子结构加固、隔震加固、消能加固、纤维增强复合材料(FRP)加固、新性能水泥基材料加固和新型自密实加固混凝土材料、聚合物砂浆等。

3 关键设备的防震损设计与加固方法

救灾关键建筑中的各类救灾设备功能的正常发挥,对保障救灾工作的正常开展具有非常重要的意义,而目前我国在此方面的研究还很少。通过研究关键设备的防震损设计与快速恢复或修复对策,如:楼面加速度分析、楼层隔震,可提高救灾关键建筑中的救灾设备在特大地震下的可靠性。楼道是救灾关键设备之一,楼梯间应具有良好的采光;尽量不要把楼梯间布置在建筑平面的尽端,而最好在中间;内廊式教学楼在满足建筑功能和规范要求的前提下应适当增加楼梯间的数量,如从2部楼梯增加到3部,这样就可以提高疏散速度,减少疏散时间。

4 建筑规划与科普宣传

中小学建筑在校园整体规划中应将安全疏散作为首选考虑因素,应特别注意充分利用学校操场作为防灾疏散的主要场所。就像城市规划中将城市公园、绿地、体育场作为防灾场所一样。当地震发生时,学生应能从教室通过较短的空旷的安全通道,迅速地疏散到大操场这一安全地带。校园规划中教学楼建筑的空间组成与操场位置关系的确定,其首要原则是确保有利于师生安全疏散。

2003年日本北海道大地震没有给日本造成特别重大损失,其主要原因就是日本政府长期以来一直对国民进行防灾教育。为了将自然灾害造成的损失降至最低,日本除了制定防灾救灾法律体系、建立防灾救灾机构外,还十分重视开展群众性的防灾减灾教育活动,提高了国民的自救能力[5]。我国政府要有针对性地采取多种形式加强防灾减灾知识的宣传教育,使社会公众增加灾前防御意识、灾时自救和互救能力以及灾后抗灾救灾的能力。宣传、教育、文化、广电、新闻出版等有关部门要通过图书、报刊、音像制品和电子出版物、广播、电视、网络等,广泛宣传应急法律法规和预防、避险、自救、互救、减灾等常识,增强公众的忧患意识、社会责任意识和自救、互救能力。

5 结语

我们相信通过优化中小学建筑和救灾关键建筑的大震和特大地震下的抗震设计,以实现不同需求的“大震可用”为目标的中小学建筑和救灾关键建筑的先进结构体系、新型减震建筑技术应用和高性能减震与抗震材料的推广应用,提出将先进体系、技术、材料与科学普及集成融合为一体的中小学建筑设计理念,普及抗震防灾意识,中小学建筑和救灾关键建筑不仅能达到预期的抗震设防目标,而且在遭受罕遇地震时有可能达到“大震可用”的高水准,成为安全的抗震避难所。

[1] 车四林.从震害谈中小学规划、设计理念和防震措施[J].科技信息,2009(7):18-19.

[2] 白 风.论我国中小学教学楼防倒塌的抗震概念设计[J].工业建筑,2009(3):54-55.

[3] 贾佰科.简述消能减震结构的抗震设计方法[J].山西建筑,2008,34(8):100-101.

[4] 张敏政.近年地震震害几点启示[J].工程抗震,2001(1):11-15.

[5] 张建华,程秋萍.完善城市防灾减灾体系确保社会可持续发展[J].城市开发,2004(10):8-9.