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【摘要】介绍汶川地震中学校建筑倒塌的原因分析，以后抗震发展的方向等供同行参考。
【关键词】地震；汶川；学校建筑；砌体结构；预制板；倒塌；抗震概念设计
Anti-shake ability analysis for school building in e Wenchuan earthquake
Lin Hui-ting
(Zhuhai city West area programming and building design officeZhuhaiGuangdong519100)
【Abstract】The article introduced school building tumble down of reason analysis in Wenchuan earthquake, hereafter the anti- shake development of direction etc. is provided fo reference.
【Key words】Earthquake; Wenchuan; School construction; Carve structure; Precast slab; Tumble down; Anti- earthquake concept designs
1. 工程概况
5月12日四川汶川发生里氏8级地震，地震发生后，地震灾区中学校建筑大部分倒塌，根据四川省教育厅的数据显示，重灾区学校倒塌面积为199.7228万平米，学生死亡4737人。在15所垮塌最为严重的学校中，以聚源中学、北川中学倒塌房屋较多，造成老师、学生伤亡惨重，如北川中学震前在校的学生有2800多人，现在只有2000多人生还。两幢教学楼，其中1#教学楼1998年建成并评为优质工程，移为平地，2#教学楼是2003年建成的，12层倒塌。聚源镇上建筑倒塌并不严重，但是聚源中学倒塌非常严重。学校两栋中心教学楼，一栋建于1988年，一栋建于1992年，完全倒塌，和定向爆破的现场一样，完全跨塌后根本看不出是什么结构、什么布局、什么受力形式。很多市民对学校这种公共性的建筑物抗震能力比其它建筑物差，甚至不堪一击表示费解，表示对工程质量的怀疑。
2. 结构的抗震能力分析
2.1场地选择不当。
建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响，这已为大量的震害实例所证实。
四川省位于印度板块和欧亚板块两个大陆板块的交界处附近，特别容易发生地震。5000万年前，印度板块在与欧亚板块碰撞之前是个岛屿；目前印度板块在以每年两英寸的速度向北推移──对板块漂移来说，这是个不慢的速度。这种快速运动意味着在大陆板块的边缘部位积聚了较大的能量，进而引发能量的剧烈释放，也就是地震。如此强度的地震每50到100年会发生一次。
汶川地震震源离地表较近，只有6英里。震源浅的地震造成的破坏性更大，因为能量的释放距离地面更近，引发的震动更剧烈。
与此同时，在距离震中较近的地区，由于长江在四川盆地形成了厚厚的沉积层，地质结构不稳定，震动更为严重。研究者表示，不牢固的地层使地震的破坏力增大，而且土壤肥沃的四川盆地人口密集，增大了人员伤亡的数量。
震央汶川是属于不利地段，这种地段为发震断裂带上可能发生地表错位的部位，是一个地震相当活跃的地区。
2.2地震实际烈度远超过设防烈度（基本烈度）。
基本烈度为50年内超越概率为10%，罕遇地震烈度为50年内超越概率为2%，一般比基本烈度增加1度。工程抗震设防的三个水准为“小震可用，中震可修，大震不倒”。
根据建筑荷载设计规范要求，汶川地区的抗震设防烈度为7度，而实际烈度为10以上。不仅超过基本烈度而且超过罕遇地震烈度（大概为8度），因此大批房屋倒塌是必然。
2.3砌体结构比框架结构破坏严重。
由于砌体结构墙体的脆性性质，地震时易产生裂缝，开裂的墙体刚度降低80%，抗剪承载力降低。在地震动作用下开裂的墙体极易产生平面的错动，从而大幅度地降低墙体的竖向承载力，因此容易倒塌，并且成碎片状。
框架结构为超静定结构，可以有目的地设置人工塑性铰，耗能构件等，达到设置多道防线的目的，有效防止结构倒塌，破坏一般不会成碎片状，一般在罕遇地震中为首层柱剪切破坏，损失比砌体结构少。在这次地震中框架结构破坏的也有。北川中学另一幢垮塌2#教学楼建于2002-2003年。为现浇框架结构，这幢5层楼房的一二层几乎“消失”在地面，上边3层整体落下，几乎没有受损，见图1。
图1
建筑抗震设计规范GB50011-2001第7.1.2条限制多层砌体结构的层数，7度设防时，教学楼限制层数比普通建筑降低一层，为6层。在倒塌的学校建筑中，很多为砌体结构，层数未超过6层，但是也倒塌了并且成散落状，见下图2、3，北川中学1#教学楼5层L型倒塌前后照片。
图2
图3
可见满足规范要求的层数限制，在罕遇地震下仍然不能达到“大震不倒”这个第三水准要求。
2.4平面布置不规则震害严重。
北川中学1#教学楼共五层，呈L形。L较短的一翼，作为办公楼使用，较长的一翼，则在为普通教室。
根据师生回忆，伤亡最为惨烈的则属高二(8)班，全部失踪，该班在1#教学楼三层的多媒体教室上课。这间多媒体教室横跨普通教室一翼和办公楼一翼，是L拐角的最中间处。地震发生时，教学楼一翼向外垮塌，而办公楼一翼则在垮塌时较为向内，巨大的扭力瞬间把多媒体教室撕裂。
平面布置不规则容易造成扭转效应明显，产生很大的应力集中，从而造成倒塌。
2.5学校建筑多为纵墙承重，震害比横墙承重厉害。典型的教学楼建筑平面图见图4，结构平面布置图见图5。
图4
图5
由于教学楼本身功能的要求，开间较大，因此横墙间距比纵墙间距大，考虑外走廊的结构，往往为了布置一些次梁及挑梁，支坐为纵墙。因此以纵墙承重为主。
抗震横墙的多寡直接影响到房屋的空间刚度。横墙数量多、间距少，结构的空间刚度越大，抗震性能越好。横墙间距过大，楼盖刚度可能不足以传递水平力到相邻墙体。横墙间距过大，对纵墙的拉结较弱，而且纵墙由于建筑要求门洞很多，刚度削弱较厉害，容易造成纵墙因弯曲破坏而造成大面积的墙体甩落。
2.6外廊式房屋破坏往往较严重。
学校建筑一般为单边的走廊，质心与首层形心存在偏心距，在水平地震中走廊护拦、楼板容易往外甩，在竖向地震中“一边重，一边轻”容易倾覆或造成房屋横墙挑梁处开裂，引起房屋的倒塌，见图6。
图6
内廊式建筑破坏较少，图7为宿舍楼走廊外设柱子，相当于内走廊的受力形式，未有倒塌，当然宿舍楼横墙较多，也是抗震能力较强的原因之一。
图7
2.7装配式预制板结构比现浇结构破坏重。
楼层的水平地震力V一般假定由该方向的各抗震墙承担，V在各墙体之间的分配重要取决于楼盖的水平刚度和各墙体的侧移刚度。楼盖刚度小，横墙间距大，在地震力作用下，楼盖平面变形除了平移外尚有弯曲变形。倒塌教学楼很多使用的是装配式框架或砌体结构，梁柱中钢筋数量较少，用于搁置预制板的挑耳尺寸较小，因此地震时骨架晃开了，预制板就往下掉，整栋楼就塌了，但是很多预制板还是完好无缺的，见图8，北川中学倒塌1#教学楼。
聚源中学倒塌的教学楼剩下楼梯间，其它的已经倒塌，见图9。该楼属于装配式预制板结构，由于楼梯踏步多为现浇板，基本属于整栋楼房里的唯一现浇构件，整体性较好，而且楼梯间横墙间距相对较小，抵抗水平力较好，因此楼梯间保存下来。
图8
图9
2.8农村义务教育经费投入不足，施工质量把关不严。
上世纪末，农村中小学建设由乡镇自筹资金，建成一批“三无”(无规范设计、无规范施工监理、无规范竣工验收)校舍，很多达不到《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的要求。这次垮塌的校舍中，相当一批就是建造于上世纪80年代末90年代初，聚源中学两栋教学楼一栋建于1988年，一栋建于1992年，北川中学1#教学楼建于1998年。
与城市相比，总体感觉是基层的小学受灾情况非常严重。乡镇学校本来款项就不多，因此无论是建筑的标准，还是建筑的投入、质量都比较差。
3. 学校建筑结构方案及其它建议
在学校建筑中抗震设防应该重视概念设计，概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则：注意场地选择，把握建筑体型，利用结构的延性，设置多道防线。
3.1注意场地选择。
地震区的建筑应该选择有利地段、避开不利地段，不在危险地段进行工程建设。确实需要在危险地段进行工程建设时，应适当提高相关的抗震措施。
勘察单位在勘察报告上要及时准确揭露场地土类型，断裂带、不良地段、液化土情况。
3.2把握建筑体型。
结构平面采用对称结构，减轻结构的地震扭转效应；结构质量中心与结构刚度中心应该一致，减轻结构的地震扭转效应；结构立面方向，沿结构高度方向，结构质量、刚度不宜有突变，首层墙柱适当加强。
3.3利用结构的延性。
大跨度的学校建筑少采用砌体结构，应采用钢筋混凝土框架结构，这样可以避开纵墙承重这个问题 。
3.4设置多道防线。
大跨度的学校建筑少采用装配式预制板结构，应该采用超静定结构，即现浇钢筋混凝土结构，设置多重防线。强调“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震基本理念。
必须采用装配式预制板结构时应该加强预制板间之间及预制板与墙之间的连接，提高楼板的整体刚度。
3.5学校建筑减少悬挑构件。
学校建筑一般为单边的走廊，在走廊设置外排柱，做成内走廊形式，这样质心与各层形心基本不存在偏心距，墙柱受压均匀。
3.6当必须采用砌体结构时，严格控制层数、高度，建议不超过3层。可以采用墙体配筋，构造柱-圈梁体系，增强纵横墙连接纵墙加大壁柱等抗震措施。
3.7加强农村义务教育经费投入，严把质量关。
在相同地区，地震烈度是相同的，倒塌与没有倒塌的房屋在设计和施工上就有很大的区别。因此在学校建设中要统一规划、规范设计、规范施工监理、规范竣工验收，严格按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001进行建设层层把关。
3.8公共建筑的抗震标准是否应高于当地民居建筑。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第3.1.1条乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，第3.1.3条乙类建筑应符合本地区抗震设防烈度提高一度要求。但规范并没有明确表明公共建筑属于乙类设防。公共建筑倒塌容易造成群死群伤，是否应该提高抗震设防标准，这是一个值得考虑的问题，当然提高抗震设防标准后工程的造价也会提高。
3.9国外很多公共性建筑物为隔震设计，在国内应该推广，隔震是通过采用一定的耗能装置或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的震动。大量的实验研究表明，合理的结构隔震设计，一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右。
3.10加强抗震知识、措施的普及工作。
在国外很多先进的国家，中小学进行火灾、地震逃生的演习训练。在这方面做得比较好的是日本，几乎每个市民都知道地震发生时如何去面对。国内在这方面应该加强，从小培养学生的逃生、自救能力。
4. 结语
大量校舍垮塌导致的学生伤亡，成为5•12汶川8.0级大地震中最令人心痛的一幕。很多房屋特别是公共建筑抗震能力远远不够，很多乡、镇的抗震知识未普及，抗震的预防措施非常无力。作为工程人员，应该有保障人民群众生命财产的责任感，应该对受灾地区房屋损坏情况进行调研，收集大量现场资料，认真总结血的教训。在公共建筑建设中要以《建筑抗震设计规范》GB50011-2001为基础，加大投入，适当提高抗震设防标准，采取强有力抗震措施确保公共建筑不倒塌，有效防止群死群伤的悲剧重演。
参考文献
［1］GB50010-2002.混凝土结构设计规范
［2］GB50003-2001.砌体结构设计规范
［3］GB50011-2001.建筑抗震设计规范
［4］李国强. 建筑结构抗震设计
［文章编号］1619-2737（2011）06-04-031
［作者简介］林惠庭，男，国家注册结构工程师，中级职称，主要从事结构设计及工程质量监督工作。
【关键词】地震；汶川；学校建筑；砌体结构；预制板；倒塌；抗震概念设计
Anti-shake ability analysis for school building in e Wenchuan earthquake
Lin Hui-ting
(Zhuhai city West area programming and building design officeZhuhaiGuangdong519100)
【Abstract】The article introduced school building tumble down of reason analysis in Wenchuan earthquake, hereafter the anti- shake development of direction etc. is provided fo reference.
【Key words】Earthquake; Wenchuan; School construction; Carve structure; Precast slab; Tumble down; Anti- earthquake concept designs
1. 工程概况
5月12日四川汶川发生里氏8级地震，地震发生后，地震灾区中学校建筑大部分倒塌，根据四川省教育厅的数据显示，重灾区学校倒塌面积为199.7228万平米，学生死亡4737人。在15所垮塌最为严重的学校中，以聚源中学、北川中学倒塌房屋较多，造成老师、学生伤亡惨重，如北川中学震前在校的学生有2800多人，现在只有2000多人生还。两幢教学楼，其中1#教学楼1998年建成并评为优质工程，移为平地，2#教学楼是2003年建成的，12层倒塌。聚源镇上建筑倒塌并不严重，但是聚源中学倒塌非常严重。学校两栋中心教学楼，一栋建于1988年，一栋建于1992年，完全倒塌，和定向爆破的现场一样，完全跨塌后根本看不出是什么结构、什么布局、什么受力形式。很多市民对学校这种公共性的建筑物抗震能力比其它建筑物差，甚至不堪一击表示费解，表示对工程质量的怀疑。
2. 结构的抗震能力分析
2.1场地选择不当。
建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响，这已为大量的震害实例所证实。
四川省位于印度板块和欧亚板块两个大陆板块的交界处附近，特别容易发生地震。5000万年前，印度板块在与欧亚板块碰撞之前是个岛屿；目前印度板块在以每年两英寸的速度向北推移──对板块漂移来说，这是个不慢的速度。这种快速运动意味着在大陆板块的边缘部位积聚了较大的能量，进而引发能量的剧烈释放，也就是地震。如此强度的地震每50到100年会发生一次。
汶川地震震源离地表较近，只有6英里。震源浅的地震造成的破坏性更大，因为能量的释放距离地面更近，引发的震动更剧烈。
与此同时，在距离震中较近的地区，由于长江在四川盆地形成了厚厚的沉积层，地质结构不稳定，震动更为严重。研究者表示，不牢固的地层使地震的破坏力增大，而且土壤肥沃的四川盆地人口密集，增大了人员伤亡的数量。
震央汶川是属于不利地段，这种地段为发震断裂带上可能发生地表错位的部位，是一个地震相当活跃的地区。
2.2地震实际烈度远超过设防烈度（基本烈度）。
基本烈度为50年内超越概率为10%，罕遇地震烈度为50年内超越概率为2%，一般比基本烈度增加1度。工程抗震设防的三个水准为“小震可用，中震可修，大震不倒”。
根据建筑荷载设计规范要求，汶川地区的抗震设防烈度为7度，而实际烈度为10以上。不仅超过基本烈度而且超过罕遇地震烈度（大概为8度），因此大批房屋倒塌是必然。
2.3砌体结构比框架结构破坏严重。
由于砌体结构墙体的脆性性质，地震时易产生裂缝，开裂的墙体刚度降低80%，抗剪承载力降低。在地震动作用下开裂的墙体极易产生平面的错动，从而大幅度地降低墙体的竖向承载力，因此容易倒塌，并且成碎片状。
框架结构为超静定结构，可以有目的地设置人工塑性铰，耗能构件等，达到设置多道防线的目的，有效防止结构倒塌，破坏一般不会成碎片状，一般在罕遇地震中为首层柱剪切破坏，损失比砌体结构少。在这次地震中框架结构破坏的也有。北川中学另一幢垮塌2#教学楼建于2002-2003年。为现浇框架结构，这幢5层楼房的一二层几乎“消失”在地面，上边3层整体落下，几乎没有受损，见图1。
图1
建筑抗震设计规范GB50011-2001第7.1.2条限制多层砌体结构的层数，7度设防时，教学楼限制层数比普通建筑降低一层，为6层。在倒塌的学校建筑中，很多为砌体结构，层数未超过6层，但是也倒塌了并且成散落状，见下图2、3，北川中学1#教学楼5层L型倒塌前后照片。
图2
图3
可见满足规范要求的层数限制，在罕遇地震下仍然不能达到“大震不倒”这个第三水准要求。
2.4平面布置不规则震害严重。
北川中学1#教学楼共五层，呈L形。L较短的一翼，作为办公楼使用，较长的一翼，则在为普通教室。
根据师生回忆，伤亡最为惨烈的则属高二(8)班，全部失踪，该班在1#教学楼三层的多媒体教室上课。这间多媒体教室横跨普通教室一翼和办公楼一翼，是L拐角的最中间处。地震发生时，教学楼一翼向外垮塌，而办公楼一翼则在垮塌时较为向内，巨大的扭力瞬间把多媒体教室撕裂。
平面布置不规则容易造成扭转效应明显，产生很大的应力集中，从而造成倒塌。
2.5学校建筑多为纵墙承重，震害比横墙承重厉害。典型的教学楼建筑平面图见图4，结构平面布置图见图5。
图4
图5
由于教学楼本身功能的要求，开间较大，因此横墙间距比纵墙间距大，考虑外走廊的结构，往往为了布置一些次梁及挑梁，支坐为纵墙。因此以纵墙承重为主。
抗震横墙的多寡直接影响到房屋的空间刚度。横墙数量多、间距少，结构的空间刚度越大，抗震性能越好。横墙间距过大，楼盖刚度可能不足以传递水平力到相邻墙体。横墙间距过大，对纵墙的拉结较弱，而且纵墙由于建筑要求门洞很多，刚度削弱较厉害，容易造成纵墙因弯曲破坏而造成大面积的墙体甩落。
2.6外廊式房屋破坏往往较严重。
学校建筑一般为单边的走廊，质心与首层形心存在偏心距，在水平地震中走廊护拦、楼板容易往外甩，在竖向地震中“一边重，一边轻”容易倾覆或造成房屋横墙挑梁处开裂，引起房屋的倒塌，见图6。
图6
内廊式建筑破坏较少，图7为宿舍楼走廊外设柱子，相当于内走廊的受力形式，未有倒塌，当然宿舍楼横墙较多，也是抗震能力较强的原因之一。
图7
2.7装配式预制板结构比现浇结构破坏重。
楼层的水平地震力V一般假定由该方向的各抗震墙承担，V在各墙体之间的分配重要取决于楼盖的水平刚度和各墙体的侧移刚度。楼盖刚度小，横墙间距大，在地震力作用下，楼盖平面变形除了平移外尚有弯曲变形。倒塌教学楼很多使用的是装配式框架或砌体结构，梁柱中钢筋数量较少，用于搁置预制板的挑耳尺寸较小，因此地震时骨架晃开了，预制板就往下掉，整栋楼就塌了，但是很多预制板还是完好无缺的，见图8，北川中学倒塌1#教学楼。
聚源中学倒塌的教学楼剩下楼梯间，其它的已经倒塌，见图9。该楼属于装配式预制板结构，由于楼梯踏步多为现浇板，基本属于整栋楼房里的唯一现浇构件，整体性较好，而且楼梯间横墙间距相对较小，抵抗水平力较好，因此楼梯间保存下来。
图8
图9
2.8农村义务教育经费投入不足，施工质量把关不严。
上世纪末，农村中小学建设由乡镇自筹资金，建成一批“三无”(无规范设计、无规范施工监理、无规范竣工验收)校舍，很多达不到《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的要求。这次垮塌的校舍中，相当一批就是建造于上世纪80年代末90年代初，聚源中学两栋教学楼一栋建于1988年，一栋建于1992年，北川中学1#教学楼建于1998年。
与城市相比，总体感觉是基层的小学受灾情况非常严重。乡镇学校本来款项就不多，因此无论是建筑的标准，还是建筑的投入、质量都比较差。
3. 学校建筑结构方案及其它建议
在学校建筑中抗震设防应该重视概念设计，概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则：注意场地选择，把握建筑体型，利用结构的延性，设置多道防线。
3.1注意场地选择。
地震区的建筑应该选择有利地段、避开不利地段，不在危险地段进行工程建设。确实需要在危险地段进行工程建设时，应适当提高相关的抗震措施。
勘察单位在勘察报告上要及时准确揭露场地土类型，断裂带、不良地段、液化土情况。
3.2把握建筑体型。
结构平面采用对称结构，减轻结构的地震扭转效应；结构质量中心与结构刚度中心应该一致，减轻结构的地震扭转效应；结构立面方向，沿结构高度方向，结构质量、刚度不宜有突变，首层墙柱适当加强。
3.3利用结构的延性。
大跨度的学校建筑少采用砌体结构，应采用钢筋混凝土框架结构，这样可以避开纵墙承重这个问题 。
3.4设置多道防线。
大跨度的学校建筑少采用装配式预制板结构，应该采用超静定结构，即现浇钢筋混凝土结构，设置多重防线。强调“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震基本理念。
必须采用装配式预制板结构时应该加强预制板间之间及预制板与墙之间的连接，提高楼板的整体刚度。
3.5学校建筑减少悬挑构件。
学校建筑一般为单边的走廊，在走廊设置外排柱，做成内走廊形式，这样质心与各层形心基本不存在偏心距，墙柱受压均匀。
3.6当必须采用砌体结构时，严格控制层数、高度，建议不超过3层。可以采用墙体配筋，构造柱-圈梁体系，增强纵横墙连接纵墙加大壁柱等抗震措施。
3.7加强农村义务教育经费投入，严把质量关。
在相同地区，地震烈度是相同的，倒塌与没有倒塌的房屋在设计和施工上就有很大的区别。因此在学校建设中要统一规划、规范设计、规范施工监理、规范竣工验收，严格按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001进行建设层层把关。
3.8公共建筑的抗震标准是否应高于当地民居建筑。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第3.1.1条乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，第3.1.3条乙类建筑应符合本地区抗震设防烈度提高一度要求。但规范并没有明确表明公共建筑属于乙类设防。公共建筑倒塌容易造成群死群伤，是否应该提高抗震设防标准，这是一个值得考虑的问题，当然提高抗震设防标准后工程的造价也会提高。
3.9国外很多公共性建筑物为隔震设计，在国内应该推广，隔震是通过采用一定的耗能装置或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的震动。大量的实验研究表明，合理的结构隔震设计，一般可使结构的水平地震加速度反应降低60%左右。
3.10加强抗震知识、措施的普及工作。
在国外很多先进的国家，中小学进行火灾、地震逃生的演习训练。在这方面做得比较好的是日本，几乎每个市民都知道地震发生时如何去面对。国内在这方面应该加强，从小培养学生的逃生、自救能力。
4. 结语
大量校舍垮塌导致的学生伤亡，成为5•12汶川8.0级大地震中最令人心痛的一幕。很多房屋特别是公共建筑抗震能力远远不够，很多乡、镇的抗震知识未普及，抗震的预防措施非常无力。作为工程人员，应该有保障人民群众生命财产的责任感，应该对受灾地区房屋损坏情况进行调研，收集大量现场资料，认真总结血的教训。在公共建筑建设中要以《建筑抗震设计规范》GB50011-2001为基础，加大投入，适当提高抗震设防标准，采取强有力抗震措施确保公共建筑不倒塌，有效防止群死群伤的悲剧重演。
参考文献
［1］GB50010-2002.混凝土结构设计规范
［2］GB50003-2001.砌体结构设计规范
［3］GB50011-2001.建筑抗震设计规范
［4］李国强. 建筑结构抗震设计
［文章编号］1619-2737（2011）06-04-031
［作者简介］林惠庭，男，国家注册结构工程师，中级职称，主要从事结构设计及工程质量监督工作。