中小学建筑安全与抗震性能研究

【关键词】 框架结构 抗震性能 结构设计 

　　由于学校的特殊功能，且人口密度高，流动量大，所以在学校建筑设计上多以砌体结构为主，多采用大跨度开间、大门窗，外挑式走廊，抗震性能差，甚至没有抗震措施。 

　　2008年5月12日我国四川汶川发生了特大地震，在受灾严重县市的5 979所中小学中，倒塌的校舍建筑约占29%， 2010年青海玉树地震，灾区校舍倒塌36 572 m2，。占校舍总面积的26%，专家分析，我国历次大地震死亡人员总数的95%是由于建筑物倒塌所致。 

　　我国是个多震国家，中小学人群自救能力差，对学校建筑抗震能力的提高成为急需研究的课题。对于现有学校建筑安全性和抗震能力划分等级，对于将要建设的学校建筑严格按照最新的抗震标准建设。 

　　下面仅就汶川地震中三种常见建筑框架结构，做一点简单分析： 

　　1、砌体结构。汶川地震中砌体结构的建筑遭受了非常严重的损坏。因其抗拉、抗剪和抗弯曲性能较低，导致建筑结构的整体伸缩性能较差。因而房屋因整体性能差，结构抗变形能力弱而遭到严重损坏。主要表现为：塌陷、墙面断裂、楼板脱离并掉落、横竖墙连接处、楼梯间及配件被破坏。在用非韧性材质组成的砌体结构中，安装约束构造柱和圈梁柱和圈梁，可提升砌体的延伸性。例如：位于白鹿镇中心小学的一幢砌体结构教学楼。在做了七级抗震设防后，在八级在地震作用下墙体虽然有裂缝，构造虽然严重损坏，但实现了“大震不倒”的 抗震目标的。砌体结构合理设置圈梁和构造柱，由于“箍” 的效应，提高了结构的整体性。 

　　2、钢筋混凝土框架结构。在汶川地震倒塌的房屋中也有一部分采用了框架结构的建筑，但多为单跨框架，外接挑式走廊，并无支撑柱。这种构造的走廊由于没有抗震防震设置，成为抗震的薄弱环节，在地震中会导致救生通道被破坏，无法实现自救，从而导致重大伤亡。如果在外走廊处增设支撑柱，并用钢筋混凝土设计成多重跨度的框架结构，则形成具备多重抗震保障的构造形式，防震性能可以得到一定的改善。汶川县映秀镇漩口中学的一幢教学楼和一幢实验楼，在抗震设计上采用了带支撑柱式外走廊，形成两跨度钢筋混凝土框架结构，在地震烈度11度地区，尽管严重损坏，但实现了“大震不倒”的目的，全校1200名师生的生命得以保障。因此，学校建筑应从结构的整合性、力的传递路线、多重抗震设防等抗震概念设计方面给予加强。 

　　3、底框砖混结构。中国经常用于多层建筑结构。这样的房屋是由底架和上部砖房2种不同负荷和抗侧力体系所构成。因房屋底层纵横承重墙少、跨度大，上部纵横墙多，跨度相对小，这种结构的房屋底层竖向支撑力度不够。上下层墙体受力性相差太大，竖向刚度分布不均。在地震震动下，往往因房屋下层结构刚度小，在房屋底部容易产生集中变形，降低了结构的抗震性能，导致结构的破坏。因此，在底框砖混结构设计中，应避免由于垂直结构刚度突变而降低结构的抗震性能。 

　　对于待建学校建筑，要加强各环节抗震研究设计工作和监管力度。 

　　1、正确进行建筑物的选址。避开地震多发带建造建筑物，把学校建筑设计在相对安全的区域，是避开地震灾害和保障生命及建筑安全的关键。 

　　2、加强各个设计环节 

　　校园整体规划设计中首先要确定教学楼与操场的空间关系，能将师生安全疏散到安全地带作为首要因素，当大震来临时，学生可用较短的时间迅速地撤离到大操场。 

　　目前我国学校建筑结构的防震设计方法和抗大震性能设计方法较匮乏、缺乏经验。使中小学建筑的防震减灾性能缺乏保障性依据。因此，需要研究人员根椐中小学教学楼现有的设计特点和其抗震、防震经验教训，制定适合我们中小学校的设计、规划方案，大胆创新设计理念、创造出合理的防震减灾建筑措施，使其具有高抗震性能，提高教育工程的质量，避免灾难重演。例如教室的平面观念的变化。在不降低教室使用功能的前提下，缩短教室开间宽度、增大进深。可设计成正方形的房间或水平矩形教室；中国现有学校建筑法规为5层以下，小学建筑层数不能超过3层，中学建筑层数不超过4层，并且对提高结构抗震能力有明显提高和改善。 

　　在汶川地震中由于缺少必要的、有效的支撑和连接，损坏最严重就是外挑式走廊结构，在今后的中小学建筑的设计中应避免这种结构设计。 

　　楼道是救灾关键设备之一，楼梯间应具有良好的采光；楼梯间的一旦破坏，就直接切断了人员的逃生通道。最好设计楼梯的中间位置；内廊式建筑在满足建筑功能和规范要求的前提下应尽量增加楼梯间的数目，如从2部楼梯增加到3部，用以提高疏散速度，缩短逃离时间。[1] 

　　在这次地震中，框架结构的抗震性能表现较好，若能保证施工质量，框架结构可以实现预期的中震和大震抗震性能目标。但框架结构的内外装饰饰面、围护结构、填充墙的破坏严重，仍然造成了较大的生命和财产损失，在今后的抗震设计中，应重点加强围护配件、填充墙与主体框架的构造研究。设计人员可以参考“最牛校长“叶志平的实例。以下是经过地震考验的两种优良建筑结构及消能减震材料： 

　　1、轻型木结构。由于木材的韧性大，对于瞬间冲击力和周期性疲劳破坏都有很强的抵抗力，具有较高的抗震性能。汶川地震中都江堰青城山青城项目部分别墅采用了轻型木结构。地震后，经考察发现200m2的轻型木结构房屋底层裂缝最多的为6处，二层裂缝最多的为2处，且多为门窗洞口等角部的细小裂缝，对结构位造成任何影响。随着我国林业的发展，很多速生木材可用于建筑结构中，所以设计人员可以加强对轻型木结构的设计，推进轻型木结构在我国的应用。 

　　2、轻型钢结构。轻型钢结构轻钢结构住宅是以冷弯型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢等经济型构件和焊接钢管或无缝钢管及好的吸能能力和延性，能有效降低地震响应，是抗震性能良好的结构材料。[2] 

　　3、消能减震材料的应用。消能减震加固方法就是通过在结构上安装消耗减震装置来达到抗震目标。目前应用较好消能减震材料的有消能阻尼器和橡胶垫等。 

　　结构形式的抗震性能按以下顺序依次增强：砌体结构——砌体-框架混合结构——框架结构——框架-剪力墙（核心筒）结构/钢结构。除了各建筑结构自身防震能力的有所不同外，工程质量对结构的防震能力也会有一定的影响，汶川地震中破坏和倒塌的房屋中普遍存在着一定的施工质量问题，因此在施工上应严格保证工程材料质量、保证工程施工质量，加强中小学建筑的监管力度，保障房屋的抗震安全性能。[3] 

　　参考文献 

　　[1] 李庆，谢何，李晶《初探我国中小学建筑和救灾关键建筑抗震对策》.《山西建筑》2010年8月期刊； 

　　[2] 王玉岚《汶川地震引发的建筑结构抗震安全性能探 》.建材世界 2009年 10 期刊； 

　　[3] 佟建国，韩家军，任思泽.《消能减震加固技术应用》.《四川建筑科学研究》2009年12.