汶川地震中小学教学楼倒塌原因分析与日本学校抗震设计启发
吴羽 环81 2008010340
摘要
北京时间5月12日14时28分，在四川汶川县发生7.8级地震，造成重大人员伤亡和经济损失，众多中小学教学楼倒塌，难以修复。通过查阅大量文献资料，从结构设计角度综合分析了教学楼大量损坏、倒塌的原因；并与日本的建筑抗震设计进行比较，从中获得启示，为我国的中小学教学楼抗震结构设计提供参考。 关键词：地震；中小学教学楼；砌体结构；抗震设计；混凝土框架结构 1 引言
5.12汶川大地震突袭而来，造成了大量人员的伤亡和经济财产的损失。其中，许多中小学教学楼(以下简称教学楼)倒塌，众多学生遇难，未倒塌的教学楼也都受到了不本同程度的破坏，震中60%以上的教学楼成了危房，需要拆除重建。倒塌的教学楼或未倒塌的危楼几乎都是砌体结构。
2 教学楼倒塌原因
2.1 教学楼结构特性
汶川地震中倒塌的教学楼或未倒塌的危楼几乎是砌体结构。用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构，又称砖石结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力，而很少受拉或受弯，一般民用和工业建筑的墙、柱和基础都可采用砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛，这是因为它可以就地取材，具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和大气稳定性，有较好的保温隔热性能。
砌体结构的主要优点是：①容易就地取材。砖主要用粘土烧制；石材的原料是天然石；砌块可以用工业废料──矿渣制作，来源方便，价格低廉。②砖、石或砌块砌体具有良好的耐火性和较好的耐久性。③砌体砌筑时不需要模板和特殊的施工设备。在寒冷地区，冬季可用冻结法砌筑，不需特殊的保温措施。④砖墙和砌块墙体能够隔热和保温，所以既是较好的承重结构，也是较好的围护结构。 砌体结构的缺点是：①与钢和混凝土相比，砌体的强度较低，因而构件的截面尺寸较大，材料用量多，自重大。②砌体的砌筑基本上是手工方式，施工劳动量大。③砌体的抗拉和抗剪强度都很低，因而抗震性能较差，在使用上受到一定限制；砖、石的抗压强度也不能充分发挥。④粘土砖需用粘土制造，在某些地区过多占用农田，影响农业生产。
汶川特大地震倒塌或损坏严重的教学楼一般都是砌体结构，砌体结构是一种脆
性结构，其抗拉抗剪能力低，而教学楼多为两道纵墙，一道横墙，另加一外挑走廊。横墙间距为教室的长，纵墙间距为教室的宽，纵墙因采光需要，开洞较多，而且不均匀，在强烈地震作用下，这种砌体结构更易发生脆性剪切破坏，导致房屋的整体破坏和倒塌。
图1 教学楼平面
2.2 抗震构造措施
2.2.1 砖混结构
砖混结构中，以大开间、大开窗、外走廊等建筑形式的震害最为严重。 震区倒塌的房屋大多是80年代或者更早的建筑，抗震设防标准低，抗震构造措施严重不足，绝大多数是砖砌体加预制混凝土楼板结构，圈梁和构造柱设置数量严重匮乏。在强烈地震中，房屋的砌体结构使得墙体的脆性受剪切变形，预制楼板因与墙体圈梁缺少连接而坍塌，造成教学楼整体倒塌。
2.2.2 框架-砌体混合结构
框架-砌体混合结构形式，在重灾区普遍受到重创。
无论是底部框架上部砖混的竖向混合结构还是部分框架部分砖混的水平混合结构，由于刚度突变、传力途径复杂和变形能力不协调等因素，大量此类建筑破坏严重。震害调查显示，此次灾区一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁破坏。规范中考虑框架的抗震作用主要是抵抗水平振动、水平荷载的作用，但此次地震的竖向作用十分强大，震中区域的框架柱出现了(水平、竖向叠加作用的)粉碎性压缩破坏，导致房屋严重破坏甚至垮塌。
3 日本学校建筑抗震设计
日本是一个地震多发的国家，每年发生有感地震约1000多次，全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。近年来，日本不断加大城市防震减灾的新技术开
发，探索城市综合减灾的新思路。不仅如此，日本在建筑抗震、防火等安全性方
面的规定复杂而严格。
日本防震有一个基本原则，就是“学校是第一避难所”，所有的房子都可以倒，学校的房子不能倒。
日本会把学校作为第一避难场所要从1923年的那一场关东大地震说起。当时的日本学校建筑，大多是木结构或砖瓦结构，与现在中国部分农村学校的情况相似。但是，关东大地震导致不少学校教学楼倒塌，学生集体遇难。当时的日本政府从中吸取了教训，以“学生的生命维系着国家未来”为最高原则，规定学校教学楼必须使用钢筋混凝土结构。而在1923年，钢筋混凝土结构是最新的建筑模式。从那时开始，学校便成为每一个地方最牢固的建筑，自然也成为了地震后灾民的第一避难场所。
3.1 钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是用钢筋和混凝土建造的一种结构，钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。 由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，因而素混凝土结构不能用于受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区内配置钢筋，则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担，这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势，共同抵抗外力的作用，提高混凝土梁、板的承载能力
图2钢筋混凝土结构
钢筋与混凝土两种不同性质的材料能有效地共同工作，是由于混凝土硬化后混凝土与钢筋之间产生了粘结力。它由分子力（胶合力）、摩阻力和机械咬合力三部分组成。其中起决定性作用的是机械咬合力，约占总粘结力的一半以上。
3.2 抗震加固特点
日本抗震加固的特点是从整体着眼，找出最薄弱环节进行加固，与我国通常的整体加固不同，更能体现其效率与可操作性。另一方面，我国的结构计算通常只考虑弹性阶段，而日本在防震抗灾的设计中还做了塑性阶段的计算，因此抗震加固的程度相比我国更高一些。
3.3 重视法律法规，严格审查建筑抗震性能
在日本，不论学校、一般建筑物或其他用途建筑物在建造时都必须统一遵守建筑物抗震标准。日本的建筑物抗震标准是为应对地震带来的损害，不断从历次地震中汲取教训并及时进行多次修改后形成的。
事实证明抗震标准的不断修订对提高建筑物抗震性能起到了关键的作用。日本的建筑物以1981年建筑标准法实施令的修订为界，这是因为1995年坂神大地震时，按照1981年以前旧法规所建造的房屋受损严重，而遵照之后的法规建造的房屋所受损害相对较小。
建筑标准法的抗震标准是以如下两点为基础制定的：第一，建筑物遭遇多次地震，即使受到一定损害，但在修复之后依然能够满足继续使用的要求：第二，不管建筑物是否会遭遇地震，即使建筑物被破坏无法继续使用，也不至于在地震时顷刻间倒塌。
在日本，新建建筑物之前，要前往政府相关部门进行申请，审查建筑物的设计是否符合抗震标准，不符合标准的建筑物是不允许建造的，这样就确保了新建筑物的抗震性能（图3）。
图3
表1
3.4对于中小学校现状调查非常重视，定期进行全面的统计和评估
日本对于地震的预防工作很重视。由于1981年前后房屋建造遵循不同的抗震标准，因此1981年前建造的房屋日本政府规定必须要进行抗震检测，如上图。 4 对我国中小学教学楼构建的启示
4.1确立防震减灾工作以预防为主
由于地震地质的复杂性、人类认识的局限性等因素，要进一步加强地震危险性和地震预测预报科学研究，以及房屋结构震害机理的分析研究。要坚持把震灾预防放在应急救援、过渡性安置、恢复重建等各项工作的首位，确立“防范胜于救灾”的指导思想，从提高城镇综合抗震防灾能力这一根本点入手。
4.2严格规划选址，避免场地对房屋的不利影响
工程项目选址要考虑从地形地貌上尽可能避开非岩质的陡坡、高耸的山丘、河岸和边坡的边缘等不利地段；从场地条件上要尽量避开饱和砂层、软弱土层、
液化土、软弱不均土层等；如无法避开，则应采取工程措施处理。要考虑进行必
要的工程地质、水文条件及自然灾害影响评估，要避开地震断裂带、滑坡、泥石流、山洪、河洪等自然灾害危险地段，预防和减轻地震可能引发的次生灾害。
4.3严格执行现行抗震技术规范，坚持抗震审查制度
汶川地震后，国家修订颁布了《中国地震动参数区划图》GB18306-2001国家标准第1号修改单、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(2008局部修订版)和《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)，提高了汶川地震灾区地震动参数区划和部分工程抗震设防标准。要真正把抗震设防贯穿于工程选址、规划、勘察、设计、审查、施工、监理、验收、使用、管理的全过程。
4.4加强房屋抗震设计，注重房屋结构选型
良好的抗震设计是房屋抗震的基础和关键，要协调好建筑创作与结构抗震的关系,房屋设计体型力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀；薄弱部位加强；构件要考虑具有必要的强度和变形能力(或延性)，并具有可靠的连接，支撑系统稳定；非结构构件(围护墙、隔墙、填充墙)要合理设置。
要注重房屋结构选型。要优先采用抗震性能好的结构形式。要坚持选用已被地震实践证明且广泛适用的框架、框剪、剪力墙结构形式，适当鼓励选用钢结构、木结构、钢管混凝土结构等抗震性能好的建筑结构形式。要限制使用石木结构、土石结构等。
4.5未达到现行抗震设防标准的既有建筑要制定抗震加固计划
抗震加固是提高现有建筑抗震防灾能力的有效措施。对达不到抗震设防要求的既有建筑，结合城市规划，制定分类、分期抗震加固计划，区分轻重缓急逐步加以实施。
与此同时，应积极推动抗震防灾新技术、新材料的开发和应用，提高重建工程科技含量，增强工程抗震防灾能力。重点推广运用轻钢结构、钢结构等技术。
结语
汶川大地震至今提起，依然是全中国人民心头的痛。地震的破坏力之大，瞬间给人们难以想象的灾难。人们对地震造成重大灾害的机理还缺乏足够的研究和科学的知识，有必要从地震特点、场地条件、建筑结构、设防标准和建筑材料等方面开展进一步的深入研究，完善和发展防灾减灾理论；同时政府也需要加大工程项目审查与学校建筑定期评估的制度。
日本不仅建立了完善的抗震法规为学校建筑安全提供保障，而且定期对建筑结构进行评估，对不同部位的建筑构件采取不同的加固措施，用最少的投入得到最安全的建筑，同时学校发挥自身优势，肩负起社区避难场所责任，在灾后恢复重建中起到了重要作用。
从日本学校建筑的抗震设计我们可以借鉴许多宝贵的经验，结合我国不同地方的实际情况，我们可以对防震减灾理论有进一步的完善。
参考文献：
[1] 王国安，从5·12汶川特大地震谈中小学教学楼抗震设计，中外建筑，2008.9
[2] 花林林，石建光，中国与日本在混凝土框架结构抗震设计中的比较分析，福建建筑，2006，
4
[3] 汤朝晖，日本中小学校防灾抗震设计启示，建筑学报
[4] 南江涛，日本抗震设计概要，电器工厂设计，1994，2
汶川地震中小学教学楼倒塌原因分析与日本学校抗震设计启发
吴羽 环81 2008010340
摘要
北京时间5月12日14时28分，在四川汶川县发生7.8级地震，造成重大人员伤亡和经济损失，众多中小学教学楼倒塌，难以修复。通过查阅大量文献资料，从结构设计角度综合分析了教学楼大量损坏、倒塌的原因；并与日本的建筑抗震设计进行比较，从中获得启示，为我国的中小学教学楼抗震结构设计提供参考。 关键词：地震；中小学教学楼；砌体结构；抗震设计；混凝土框架结构 1 引言
5.12汶川大地震突袭而来，造成了大量人员的伤亡和经济财产的损失。其中，许多中小学教学楼(以下简称教学楼)倒塌，众多学生遇难，未倒塌的教学楼也都受到了不本同程度的破坏，震中60%以上的教学楼成了危房，需要拆除重建。倒塌的教学楼或未倒塌的危楼几乎都是砌体结构。
2 教学楼倒塌原因
2.1 教学楼结构特性
汶川地震中倒塌的教学楼或未倒塌的危楼几乎是砌体结构。用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构，又称砖石结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低，因此，砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力，而很少受拉或受弯，一般民用和工业建筑的墙、柱和基础都可采用砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛，这是因为它可以就地取材，具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和大气稳定性，有较好的保温隔热性能。
砌体结构的主要优点是：①容易就地取材。砖主要用粘土烧制；石材的原料是天然石；砌块可以用工业废料──矿渣制作，来源方便，价格低廉。②砖、石或砌块砌体具有良好的耐火性和较好的耐久性。③砌体砌筑时不需要模板和特殊的施工设备。在寒冷地区，冬季可用冻结法砌筑，不需特殊的保温措施。④砖墙和砌块墙体能够隔热和保温，所以既是较好的承重结构，也是较好的围护结构。 砌体结构的缺点是：①与钢和混凝土相比，砌体的强度较低，因而构件的截面尺寸较大，材料用量多，自重大。②砌体的砌筑基本上是手工方式，施工劳动量大。③砌体的抗拉和抗剪强度都很低，因而抗震性能较差，在使用上受到一定限制；砖、石的抗压强度也不能充分发挥。④粘土砖需用粘土制造，在某些地区过多占用农田，影响农业生产。
汶川特大地震倒塌或损坏严重的教学楼一般都是砌体结构，砌体结构是一种脆
性结构，其抗拉抗剪能力低，而教学楼多为两道纵墙，一道横墙，另加一外挑走廊。横墙间距为教室的长，纵墙间距为教室的宽，纵墙因采光需要，开洞较多，而且不均匀，在强烈地震作用下，这种砌体结构更易发生脆性剪切破坏，导致房屋的整体破坏和倒塌。
图1 教学楼平面
2.2 抗震构造措施
2.2.1 砖混结构
砖混结构中，以大开间、大开窗、外走廊等建筑形式的震害最为严重。 震区倒塌的房屋大多是80年代或者更早的建筑，抗震设防标准低，抗震构造措施严重不足，绝大多数是砖砌体加预制混凝土楼板结构，圈梁和构造柱设置数量严重匮乏。在强烈地震中，房屋的砌体结构使得墙体的脆性受剪切变形，预制楼板因与墙体圈梁缺少连接而坍塌，造成教学楼整体倒塌。
2.2.2 框架-砌体混合结构
框架-砌体混合结构形式，在重灾区普遍受到重创。
无论是底部框架上部砖混的竖向混合结构还是部分框架部分砖混的水平混合结构，由于刚度突变、传力途径复杂和变形能力不协调等因素，大量此类建筑破坏严重。震害调查显示，此次灾区一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁破坏。规范中考虑框架的抗震作用主要是抵抗水平振动、水平荷载的作用，但此次地震的竖向作用十分强大，震中区域的框架柱出现了(水平、竖向叠加作用的)粉碎性压缩破坏，导致房屋严重破坏甚至垮塌。
3 日本学校建筑抗震设计
日本是一个地震多发的国家，每年发生有感地震约1000多次，全球10%的地震均发生在日本及其周边地区。近年来，日本不断加大城市防震减灾的新技术开
发，探索城市综合减灾的新思路。不仅如此，日本在建筑抗震、防火等安全性方
面的规定复杂而严格。
日本防震有一个基本原则，就是“学校是第一避难所”，所有的房子都可以倒，学校的房子不能倒。
日本会把学校作为第一避难场所要从1923年的那一场关东大地震说起。当时的日本学校建筑，大多是木结构或砖瓦结构，与现在中国部分农村学校的情况相似。但是，关东大地震导致不少学校教学楼倒塌，学生集体遇难。当时的日本政府从中吸取了教训，以“学生的生命维系着国家未来”为最高原则，规定学校教学楼必须使用钢筋混凝土结构。而在1923年，钢筋混凝土结构是最新的建筑模式。从那时开始，学校便成为每一个地方最牢固的建筑，自然也成为了地震后灾民的第一避难场所。
3.1 钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是用钢筋和混凝土建造的一种结构，钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。 由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，因而素混凝土结构不能用于受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区内配置钢筋，则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担，这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势，共同抵抗外力的作用，提高混凝土梁、板的承载能力
图2钢筋混凝土结构
钢筋与混凝土两种不同性质的材料能有效地共同工作，是由于混凝土硬化后混凝土与钢筋之间产生了粘结力。它由分子力（胶合力）、摩阻力和机械咬合力三部分组成。其中起决定性作用的是机械咬合力，约占总粘结力的一半以上。
3.2 抗震加固特点
日本抗震加固的特点是从整体着眼，找出最薄弱环节进行加固，与我国通常的整体加固不同，更能体现其效率与可操作性。另一方面，我国的结构计算通常只考虑弹性阶段，而日本在防震抗灾的设计中还做了塑性阶段的计算，因此抗震加固的程度相比我国更高一些。
3.3 重视法律法规，严格审查建筑抗震性能
在日本，不论学校、一般建筑物或其他用途建筑物在建造时都必须统一遵守建筑物抗震标准。日本的建筑物抗震标准是为应对地震带来的损害，不断从历次地震中汲取教训并及时进行多次修改后形成的。
事实证明抗震标准的不断修订对提高建筑物抗震性能起到了关键的作用。日本的建筑物以1981年建筑标准法实施令的修订为界，这是因为1995年坂神大地震时，按照1981年以前旧法规所建造的房屋受损严重，而遵照之后的法规建造的房屋所受损害相对较小。
建筑标准法的抗震标准是以如下两点为基础制定的：第一，建筑物遭遇多次地震，即使受到一定损害，但在修复之后依然能够满足继续使用的要求：第二，不管建筑物是否会遭遇地震，即使建筑物被破坏无法继续使用，也不至于在地震时顷刻间倒塌。
在日本，新建建筑物之前，要前往政府相关部门进行申请，审查建筑物的设计是否符合抗震标准，不符合标准的建筑物是不允许建造的，这样就确保了新建筑物的抗震性能（图3）。
图3
表1
3.4对于中小学校现状调查非常重视，定期进行全面的统计和评估
日本对于地震的预防工作很重视。由于1981年前后房屋建造遵循不同的抗震标准，因此1981年前建造的房屋日本政府规定必须要进行抗震检测，如上图。 4 对我国中小学教学楼构建的启示
4.1确立防震减灾工作以预防为主
由于地震地质的复杂性、人类认识的局限性等因素，要进一步加强地震危险性和地震预测预报科学研究，以及房屋结构震害机理的分析研究。要坚持把震灾预防放在应急救援、过渡性安置、恢复重建等各项工作的首位，确立“防范胜于救灾”的指导思想，从提高城镇综合抗震防灾能力这一根本点入手。
4.2严格规划选址，避免场地对房屋的不利影响
工程项目选址要考虑从地形地貌上尽可能避开非岩质的陡坡、高耸的山丘、河岸和边坡的边缘等不利地段；从场地条件上要尽量避开饱和砂层、软弱土层、
液化土、软弱不均土层等；如无法避开，则应采取工程措施处理。要考虑进行必
要的工程地质、水文条件及自然灾害影响评估，要避开地震断裂带、滑坡、泥石流、山洪、河洪等自然灾害危险地段，预防和减轻地震可能引发的次生灾害。
4.3严格执行现行抗震技术规范，坚持抗震审查制度
汶川地震后，国家修订颁布了《中国地震动参数区划图》GB18306-2001国家标准第1号修改单、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(2008局部修订版)和《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)，提高了汶川地震灾区地震动参数区划和部分工程抗震设防标准。要真正把抗震设防贯穿于工程选址、规划、勘察、设计、审查、施工、监理、验收、使用、管理的全过程。
4.4加强房屋抗震设计，注重房屋结构选型
良好的抗震设计是房屋抗震的基础和关键，要协调好建筑创作与结构抗震的关系,房屋设计体型力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀；薄弱部位加强；构件要考虑具有必要的强度和变形能力(或延性)，并具有可靠的连接，支撑系统稳定；非结构构件(围护墙、隔墙、填充墙)要合理设置。
要注重房屋结构选型。要优先采用抗震性能好的结构形式。要坚持选用已被地震实践证明且广泛适用的框架、框剪、剪力墙结构形式，适当鼓励选用钢结构、木结构、钢管混凝土结构等抗震性能好的建筑结构形式。要限制使用石木结构、土石结构等。
4.5未达到现行抗震设防标准的既有建筑要制定抗震加固计划
抗震加固是提高现有建筑抗震防灾能力的有效措施。对达不到抗震设防要求的既有建筑，结合城市规划，制定分类、分期抗震加固计划，区分轻重缓急逐步加以实施。
与此同时，应积极推动抗震防灾新技术、新材料的开发和应用，提高重建工程科技含量，增强工程抗震防灾能力。重点推广运用轻钢结构、钢结构等技术。
结语
汶川大地震至今提起，依然是全中国人民心头的痛。地震的破坏力之大，瞬间给人们难以想象的灾难。人们对地震造成重大灾害的机理还缺乏足够的研究和科学的知识，有必要从地震特点、场地条件、建筑结构、设防标准和建筑材料等方面开展进一步的深入研究，完善和发展防灾减灾理论；同时政府也需要加大工程项目审查与学校建筑定期评估的制度。
日本不仅建立了完善的抗震法规为学校建筑安全提供保障，而且定期对建筑结构进行评估，对不同部位的建筑构件采取不同的加固措施，用最少的投入得到最安全的建筑，同时学校发挥自身优势，肩负起社区避难场所责任，在灾后恢复重建中起到了重要作用。
从日本学校建筑的抗震设计我们可以借鉴许多宝贵的经验，结合我国不同地方的实际情况，我们可以对防震减灾理论有进一步的完善。
参考文献：
[1] 王国安，从5·12汶川特大地震谈中小学教学楼抗震设计，中外建筑，2008.9
[2] 花林林，石建光，中国与日本在混凝土框架结构抗震设计中的比较分析，福建建筑，2006，
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[3] 汤朝晖，日本中小学校防灾抗震设计启示，建筑学报
[4] 南江涛，日本抗震设计概要，电器工厂设计，1994，2