华北理工大学图书馆地震遗址复原及崩塌研究★

贾宇淇 马丽慧 韦 亮

(华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210)



华北理工大学图书馆地震遗址复原及崩塌研究★

贾宇淇 马丽慧 韦 亮

(华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210)

通过数字化虚拟了唐山大地震前刚落成的华北理工大学图书馆旧馆，并构建了实体建筑模型，以“虚实结合”的方式重现图书馆崩塌前的原貌，同时与现存的断壁残垣作了对比，尝试还原图书馆在地震波冲击下的倒塌过程。

图书馆，遗址原貌，地震，崩塌分析

华北理工大学地震遗址原为华北理工大学前身之一的河北矿冶学院图书馆，位于唐山市中心区，1975年始建，在1976年7月发生的唐山大地震中毁于一旦。该图书馆遗址至今基本保留了地震时遭破坏的原貌，集中展示了建筑受到复杂地震力破坏后所呈现的错位、剪切、跌落、倒塌的后果，反映出那个年代钢筋混凝土预制和现浇两种形式抗震性能的特点，是研究建筑抗震的珍贵样本。2006年经国务院批准，该遗址成为国家重点文物保护单位。

1 图书馆遗址原貌

1.1 建筑设计

图书馆未遭地震破坏时建筑面积为4 049 m2，设计采用阅览与藏书分别占用建筑空间的闭架管理，藏、借、阅、管四大功能的独立分区，以借书和出纳空间为联系，按书刊流动的路线管理，强调读者与图书分离，互不交叉干扰。

进入位于建筑中央的门厅，左手边是图书馆主体部分——阅览室，能同时容纳750人阅览，右手边是图书加工、采编及行政办公用房。读者上下楼主要通过门厅内的主楼梯，出于疏散的考虑，建筑主体东西两端各自设置了疏散楼梯和与之匹配的次入口。后排书库内有供图书馆馆员使用的工作梯及专门用来搬运书籍的升降货梯。

阅览室平面柱网的尺寸是按当年预制装配式空心楼板的模数制设计，以6 m×5 m为一个网格，南北进深采用6 m跨，东西开间为5 m跨,东西外廓总长约70 m，南北进深共两跨总长12 m。阅览室部分共有3层，层高均为4.5 m，建筑总高14 m。

后排书库由2排6列共12根无梁楼盖支撑，柱间距3.6 m，柱与外墙间距3.3 m,书库外廓长25 m，宽12 m。书库共4层，建筑总高度为9.3 m，底层层高2.55 m，2层～4层层高均为2.25 m[1]。

1.2 构造特点

地基持力层为砂质粘土，冰冻线尺寸约为地下0.8 m，整栋建筑采用独立基础中的杯形柱基。阅览室的柱与外墙基础埋深都是2.3 m。柱基础下部为450 mm厚的三七灰土垫层，上设1 m厚的柱基，外墙基础下面同样垫450 mm厚的三七灰土，与地面间砌筑毛石。

书库内12个独立柱基下面砌筑了1.1 m厚的粗料石，上设0.5 m厚的钢筋混凝土柱基。边柱、墙基下部为450 mm厚三七灰土垫层，垫层上再设宽2.2 m,厚350 mm的钢筋混凝环带，相当于一个大的地圈梁。

房屋外墙用MU75砖，M25砂浆一横一顺砌筑，厚370 mm，内墙厚240 mm，地面与楼板上铺细石混凝土，主要房间采用水磨石地面。阅览室与书库区别在于:前者结构为预制柱与梁的装配式结构,而后者采用的是钢筋混凝土柱与无梁楼板的现浇式结构。

1.3 外观设计

图书馆的外部造型呈现“工”字型的轴对称布局，正立面采用的是“横三纵五”的构图手法，中央体块突出，和后排书库的檐口部分女儿墙都贴有装饰线脚。前排两翼的阅览室部分没有女儿墙，采用了挑檐排水，同时为了丰富立面变化，增加垂直线条，在每个开间的中央又额外立了一根与框架柱一样的砖柱，使得矩形窗竖向排列成符合黄金分割比例的效果。总体上图书馆外观设计体现出我国20世纪70年代“多、快、好、省”的建设方针，朴实大方，见图1。

2 唐山大地震对图书馆建筑的破坏

2.1 唐山大地震概况

发生在1976年7月28日的里氏7.8级唐山大地震，震源深度11 km，地震灾区1 000多万平方米的建筑倒塌和严重破坏。后经勘测，唐山市有两条较大的地震断裂带，其中之一的唐山断裂带是唐山地震的震源，而另一条陡河断裂带南北向穿过图书馆遗址所在校园[2]。

2.2 地震过后的图书馆

图书馆位于地震震中西侧4 km处，尽管建筑东西方向是长轴，比长轴是南北向受损要小，但在巨大的地震破坏力面前仍不堪一击，崭新的建筑损毁严重：建筑前排阅览室部分东侧有三跨六个柱网单元保持屹立，与之藕断丝连的是最东端的一跨开间，对震后残存的框架进行观测，其顶部向东南方向侧移了290 mm[3]。西侧阅览室自北向南倒塌，房顶散落在基地南边。中央突出的体块轰然倒塌，只剩下一地的断壁残垣，见图2。

后排书库的外观看似保存完整，其实不然——书库的首层在强烈的地震破坏中被碾碎了，现在看到的是原来的2层～4层，书库整体向北偏东方向位移了约1 m，最终呈现出东南角比西北角高约半层的形态。

3 图书馆倒塌的影响因素

3.1 地震设防的缺失

抗震设防烈度是对建筑物的抗震性能的要求，比如目前唐山地区的抗震设防烈度就是8度。大地震前的唐山地区，建筑结构设计的抗震设防烈度为6度——6度的地震时表象为建筑中人站立不稳，对于房屋结构设计来说就是不进行抗震设防计算。而图书馆所受到的破坏烈度达到了11度——地震时表象为绝大多数房屋倒塌，路基堤岸大段崩毁，地表产生很大变化。从根源上看，当时当地的行业规范里就没有此类房屋要“小震不坏，大震不倒”的要求，是造成图书馆没有禁得起毁灭性地震破坏的首要原因。

3.2 地震横波作用

1976年唐山大地震的震动频率是2 Hz左右，强震持续时间约23 s。据地震经历者回忆：大地先是纵向震动几秒钟，然后是横向震动，对建筑物的破坏主要就是横波。地震中记录的地震波谱说明，地震载荷为随机的交变载荷。图书馆后排的书库在高速度横波高的循环应变作用下，底层墙柱的钢筋混凝土受剪切破坏完全粉碎，导致书库上3层与基础脱离，跌落到一旁。对唐山地震遗址所取钢筋样品的失效分析结果，可以确定建筑结构在地震载荷下的失效模式主要是高应变低周疲劳失效[4]。

3.3 扭转

比较现存的阅览室和书库与原先所在的位置会发现：前者挪向东南方向，后者飞向东北方向。虽然地震时建筑物承受的载荷具有瞬时性、交变性和随机性等特点，但从原先一体的馆舍不同步的变形结果可以得出一个结论——地震波对建筑产生了一个巨大的扭转破坏。

3.4 应力集中

地震是一个突发性的能量释放过程，其导致的建筑破坏首先产生于应力集中的脆弱部位，比如建筑的端部及变形缝处。图书馆阅览室东西方向长超过70 m，应设两道轴对称的温度变形缝，东侧残留的框架就是从变形缝处断开的，端部应力集中是东山墙倒塌的影响因素之一。应力集中更加明显的破坏发生在主体建筑与后排书库之间，此处整齐的断面正是两者之间的沉降变形缝所在的位置。

4 现存结构未毁的原因

1975年辽宁省海城发生了里氏7.3级的地震，受海城地震的启示，正值施工时期的图书馆采取了一些简单的抗震加固措施——在部分预制楼板上面做了70 mm厚的配筋整体现浇层，相当于提高了局部的设防烈度。此外，在首层东部办公区分隔空间用的填充内墙多少限制了结构整体侧移，外窗间装饰用的柱子也起到加固框架结构的作用，东部阅览室的三跨框架之所以没有倒塌正是基于以上原因。

书库相对完整的原因之一是由于其按藏书承重设计的静荷载，而地震时尚未藏书，没有结构计算时的那么大荷载，从而减小了地震时的破坏力。书库部分虽然整体性能较好，但因为底层柱子强度不够，所以地震时书库底层柱子全部以剪切破坏断裂，这与2008年发生的汶川地震中大部分建筑受损情况相似。

5 结语

华北理工大学图书馆地震遗址已经在原地静静伫立了40年，期间来参观调研的人数超过百万。不足的是遗址一直缺乏直观的模型伴以专业知识的诠释。经过为期两年的实地调研、测绘，收集废墟的第一手资料，采集数据并对遗址场地的线索进行挖掘，终于填补了这一空白。随着2017年华北理工大学整体搬迁至90 km以外的曹妃甸新校园，地震遗址物是人非，此项研究也将为华北理工大学师生留下凝固的记忆。

[1] 陈冬梅，李亚君.图书馆地震遗址及其学术研究价值——兼及几点启示[J].农业图书情报学刊,2010，22(2):168-170.

[2] 于 山，苏幼坡，刘天适，等.唐山大地震震后救援与恢复[M].北京:中国科学技术出版社,2003:8-9.

[3] 唐山工程技术学院地震工程研究中心.对河北矿冶学院图书馆震害遗迹的分析研究[D].唐山:河北省地震工程研究中心,1986.

[4] 詹苏宇.微合金化与轧后余热处理钢筋的抗震性能研究[D].重庆:重庆大学,2010:60-61.

Study on the restoration of earthquake site and its collapse of the library in North China University of Technology★

Jia Yuqi Ma Lihui Wei Liang

(North China University of Technology, Architectural Engineering Institute, Tangshan 063210, China)

Through the digital technology to simulate the library newly completed before the Tangshan earthquake in North China University of Technology, the solid building model is constructed. The original situation of the library before the collapse is reproduced by the “virtual-reality combination” way. Compared with the existing ruins, it attempts to restore the process of the collapse of the library under the impact of seismic waves.

library, site restoration, earthquake, analysis of collapse

1009-6825(2017)12-0032-02

2017-02-18★:2015年国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：201510081028)

贾宇淇(1994- )，女，在读本科生； 马丽慧(1980- )，女，讲师； 韦 亮(1979- )，男，讲师

TU242.3

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