隋同波：災(zāi)后重建，建材當(dāng)先行

　　一、綜合分析

　　統(tǒng)計資料表明，建筑物的破壞和倒塌造成的人員傷亡，占地震傷亡人數(shù)的95％。汶川地震破壞力之大為世界罕見，震中汶川、北川地區(qū)最大烈度高達(dá)11度，大大超出了原有四川省建筑抗震設(shè)防7度的標(biāo)準(zhǔn)。但同為中心災(zāi)區(qū)，有些城鎮(zhèn)受損慘烈，有些相對較輕；同為建筑大樓，有的頃刻間土崩瓦解，造成重大傷亡，有的卻屹立不倒，為身在其中的人們爭取到寶貴的逃生時間。四川汶川大地震使災(zāi)區(qū)房屋毀壞嚴(yán)重，在重災(zāi)區(qū)之一的綿陽，綿陽九洲體育館屹立不倒，各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好，成為綿陽市及周邊災(zāi)民的避難場所。究其原因，一方面是設(shè)計單位在6度設(shè)防地區(qū)為保障構(gòu)造安全度按7度設(shè)計，同時，最重要的是該項目實施了科學(xué)的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計。因此，牢固的建筑是最可掌控的救命之根本，重視抗震設(shè)計、加強(qiáng)抗震設(shè)防至關(guān)重要。

　　地震對建筑的損害主要是對結(jié)構(gòu)的損害，地震以“波”的表現(xiàn)形式出現(xiàn)，先到達(dá)地表的是縱波，表現(xiàn)形式為上下震動，這樣的震動很容易把房屋結(jié)構(gòu)震松；隨后到達(dá)的是橫波，呈現(xiàn)水平晃動，受縱波損害的房屋結(jié)構(gòu)實際已經(jīng)松散，在水平晃動的剪切作用下很容易倒塌。

　　吸取這次地震的教訓(xùn)，一方面應(yīng)適當(dāng)提高我國部分地區(qū)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對抗震等有關(guān)規(guī)范作必要的修改，尤其是對人員密集的學(xué)校和醫(yī)院建筑，應(yīng)該采用較好的結(jié)構(gòu)體系，適當(dāng)提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，大規(guī)模提高大型公共建筑的抗震標(biāo)準(zhǔn)，投入不到該建筑總造價的10％資金，可以將其抗震性能提高一倍以上，而且災(zāi)害一旦來臨可作為避災(zāi)疏散點，可見此舉對抗震防災(zāi)的作用是事半功倍的。另一方面，應(yīng)加強(qiáng)對抗震新技術(shù)的研究和應(yīng)用。目前，我國國際比較流行的抗震新技術(shù)，一種是建筑物下方隔震技術(shù)，另一種是利用阻尼器吸收部分地震能量、降低建筑結(jié)構(gòu)本身的受力等。從20世紀(jì)70年代后，這些技術(shù)已逐步應(yīng)用到建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)工程中，其發(fā)展十分迅速。

　　在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會，人類居住的城市已經(jīng)成為人口高度密集、地面高樓如林、空間大跨度橋梁眾多，地下電力、通訊、燃?xì)?、供水、污水管網(wǎng)密布的一個龐大系統(tǒng)。越是龐大的系統(tǒng)本身越是脆弱，某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題就會形成連鎖反應(yīng)，造成巨大的損失和危害。因此，如何應(yīng)對自然災(zāi)害，國際上已經(jīng)形成一個共識，就是預(yù)防為主，防抗救避相結(jié)合，即在災(zāi)害來臨前做好各種預(yù)防措施，在災(zāi)害來臨時，為應(yīng)急救災(zāi)提供支撐，將損失降低到最低限度。就建設(shè)領(lǐng)域而言，對城市道路、建筑物、水電等基礎(chǔ)設(shè)施做好抗震設(shè)防和規(guī)劃建設(shè)等預(yù)防工作乃重中之重。

　　二、見證災(zāi)害

　　汶川大地震，各種媒體全方位地報導(dǎo)災(zāi)情以及救援、重建工作進(jìn)展，以下是從眾多的信息中提取的兩個有關(guān)建筑方面的典型事實：

　　公建工程，尤其是學(xué)?？逅鷩?yán)重，造成巨大生命損失

　　大地震造成了校舍嚴(yán)重倒塌和師生重大傷亡，令人痛惜。專家指出，學(xué)校建筑垮塌嚴(yán)重，是由于大部分學(xué)校建筑是不利于抗震的單跨結(jié)構(gòu)，而且空間跨度大，墻與梁、柱之間的相互約束較弱，門窗面積較大。但到都江堰市聚源中學(xué)現(xiàn)場的專家也注意到一個現(xiàn)象，教學(xué)樓兩邊的教室全部倒塌了，而中間現(xiàn)澆的鋼筋混凝土樓梯板由于鋼筋的支撐以及梯板與梁、柱的結(jié)合而依然矗立，事實上無延性的混凝土梁柱以及無筋砌體成為垮塌的主因。

　　實際上，這一問題在國際上早有慘重教訓(xùn)以及應(yīng)對方案。日本在1923年關(guān)東大地震后，確立“學(xué)生生命維系著國家未來”的最高原則，強(qiáng)制性規(guī)定所有學(xué)校教學(xué)樓必須使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。從此，學(xué)校便成為日本最牢固的建筑，同時也成為地震后災(zāi)民的第一避難場所。

　　村鎮(zhèn)建筑毀損嚴(yán)重，亟待提高抗災(zāi)安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)支撐

　　此次地震災(zāi)區(qū)農(nóng)房建筑損毀比較嚴(yán)重。從我國的村鎮(zhèn)建設(shè)來看，主要是磚木砌體房屋，墻體是由磚、石、土坯等材料壘起來的。比如四川羌族聚集居住地房屋結(jié)構(gòu)主要為石砌墻體或土墻體，由于組成這種房屋的各部分連接較差，組成房屋的各個構(gòu)件連接不牢，外墻墻體間的連接、墻體與房頂?shù)倪B接都是薄弱環(huán)節(jié)。另一方面，農(nóng)民建房一直以自建為主，從規(guī)劃、設(shè)計、施工到災(zāi)害保險等常常處于無人監(jiān)督的狀況，農(nóng)村建筑呈現(xiàn)出整體上的“不設(shè)防”格局。

　　為此，在災(zāi)后重建過程中，要加強(qiáng)對農(nóng)民住宅建設(shè)的監(jiān)管，統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計并嚴(yán)格施工管理，所以，制定農(nóng)房建設(shè)質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)和提供抗災(zāi)技術(shù)支持已迫在眉睫。一方面要從目前農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)情況出發(fā)，在尊重當(dāng)?shù)匚幕?xí)俗的前提下，通過對磚木房屋等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理抗震改造，以提高抗震能力，減輕地震災(zāi)害；另一方面，應(yīng)確保村鎮(zhèn)住宅更新、改造沿著安全、健康、舒適、生態(tài)、具有地域及文脈特征的道路發(fā)展，在逐步完善村鎮(zhèn)住宅功能的前提下，提高村鎮(zhèn)住宅結(jié)構(gòu)的整體性、構(gòu)件連接節(jié)點的強(qiáng)度，確保住宅結(jié)構(gòu)抗震安全和適用性。

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　　三、現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)體系抗震簡析

　　“地震本身不會傷害人類，傷人的是在震中被破壞的建筑”。從抗震角度，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要。實現(xiàn)的途徑一是賦予建筑足夠的強(qiáng)度、剛度和延性以抵御地震作用于建筑上的破壞力；另一方面是采用新技術(shù)和設(shè)備，抵消或減少地震作用于建筑上的破壞力。

　　一個建筑是否抗震更多地取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計而不是用什么材料建造。因此從理論上講，各種建筑結(jié)構(gòu)無論是木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，只要嚴(yán)格按照抗震要求進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計、選材、施工和維護(hù)，均可起到抵御一定烈度地震的作用，但不同結(jié)構(gòu)形式的建筑抗震能力仍有差別。

　　木結(jié)構(gòu)建筑是以被公認(rèn)的具有良好延性的木材作為主體結(jié)構(gòu)材料，墻體和屋架體系一般是由結(jié)構(gòu)木方、板材、保溫棉填充而成，是目前國際上尤其是北美、新西蘭以及日本等國家低層和多層住宅采用的主要結(jié)構(gòu)形式。木結(jié)構(gòu)建筑具有自身質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及結(jié)構(gòu)的柔韌性高等特性，表現(xiàn)出良好的抗震性能。加拿大國家林產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院通過對過去40余年世界上主要的7次地震中將近50萬棟木結(jié)構(gòu)建筑的情況分析發(fā)現(xiàn)，總共只有34人因平臺框架建筑損壞而喪生。相比之下，1999年的土耳其地震摧毀了在建筑中廣泛使用磚石和混凝土的區(qū)域，造成了40，000人喪生。但也必須指出，1995年1月日本神戶地震的傷亡損失主要來自傳統(tǒng)的一、二層木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑，災(zāi)后引起的大火加劇了災(zāi)害的損失。災(zāi)后的調(diào)查顯示，只有很小橫向承載力的以傳統(tǒng)日本式梁柱風(fēng)格建造的舊房屋受到很大破壞。這些建筑主要采用木質(zhì)梁、柱，竹質(zhì)或薄木板墻和自重大的陶瓷瓦屋面，其間的連接主要依靠木質(zhì)結(jié)構(gòu)搭接，沒有用釘子或其他方式加強(qiáng)。結(jié)果還表明，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑的倒塌比例基本相當(dāng)，分別是4.9%和5.3%。

　　磚混結(jié)構(gòu)多為城市郊區(qū)、村鎮(zhèn)建筑所采用，主要建筑材料包括磚、砌塊、水泥、砂石等，這些砌體材料均屬脆性材料，抗折強(qiáng)度低。磚混結(jié)構(gòu)一般以多層 （24米以下，住宅10層以下）或者跨度不大的建筑為主。這種砌體結(jié)構(gòu)的特點是具有良好的受壓能力，但抵御剪切應(yīng)力的能力弱，易在地震引起的剪切力的作用下發(fā)生脆性破壞。按一定原則增加圈梁和承重柱的韌性，同時采用鋼筋加固砌體墻體以及墻體與基層的連接，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。美國加州自1977年舊金山地震后，1981年以法令形式強(qiáng)制要求房主必須對老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋加固，主要采用鋼筋鎖固山墻，增強(qiáng)抗震能力。1994年1月洛杉磯發(fā)生6.7級地震后，美國砌體協(xié)會立即在震后數(shù)小時內(nèi)組織專家對140個砌體建筑進(jìn)行評估。結(jié)果表明，1981年后采用現(xiàn)代增強(qiáng)技術(shù)加固的砌體建筑結(jié)構(gòu)只有很小破壞甚至未被破壞。而許多傳統(tǒng)的未經(jīng)加固的砌體結(jié)構(gòu)建筑垮塌或嚴(yán)重毀損。據(jù)調(diào)查，出于同樣的原因，2003年發(fā)生在土耳其和伊朗的地震雖然不足7級，但數(shù)千人由于磚結(jié)構(gòu)建筑倒塌失去生命。

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國目前城市建筑的主導(dǎo)建筑形式。我國抗震設(shè)計對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提出的是“高延性要求”，即要求結(jié)構(gòu)在較大的屈服后塑性變形狀態(tài)下仍保持其豎向荷載和抗水平力的能力，因此這是一種安全、持久的復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于高層建筑（10層及10層以上的居住建筑或高度超過24米的建筑。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及框剪混合結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土澆灌成的承重梁柱組成骨架，再用空心磚或預(yù)制的加氣混凝土、陶粒等輕質(zhì)板材作非承重墻體圍護(hù)和隔離分戶裝配而成，目前最為普遍采用。框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計原則是“強(qiáng)剪弱彎，弱梁強(qiáng)柱，更強(qiáng)節(jié)點”；剪力墻結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土澆筑成墻體，即剪力墻，用以承受豎向和水平作用力；框剪結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)合，吸取了二者的長處，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗震性能?；炷林饕憩F(xiàn)為脆性材料，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于砌體結(jié)構(gòu)材料，但抗拉強(qiáng)度低，且混凝土性能對用水量非常敏感，必須嚴(yán)格控制，在復(fù)合結(jié)構(gòu)中混凝土主要承受壓力載荷；增強(qiáng)鋼筋具有優(yōu)良的承受壓、拉多種載荷能力的韌性材料。鋼筋、混凝土二者互補受力，從而賦予建筑良好的剛度、強(qiáng)度以及延性，以抵御地震產(chǎn)生的破壞力。鋼筋增強(qiáng)的原則是在混凝土受壓破壞之前其中的鋼筋由于達(dá)到受拉極限發(fā)生破壞。

　　鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材為主要結(jié)構(gòu)材料。鋼材的特點是強(qiáng)度高、重量輕，具有高的強(qiáng)度和良好的延性，同時由于鋼材料的勻質(zhì)性和強(qiáng)韌性，可有較大變形，能很好地承受動力荷載，具有很好的抗震能力。其中，屈強(qiáng)比是衡量鋼的加工硬化能力的一個重要參數(shù)。屈強(qiáng)比越低，鋼結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)震的能力就越強(qiáng)。歐洲建筑鋼要求屈強(qiáng)比小于0.91,而日本要求建筑鋼屈強(qiáng)比小于0.80。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢，但造價相對較高，目前應(yīng)用不是非常普遍。 一般的超高層建筑（100米以上）或者跨度較大的建筑通常應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。用鋼結(jié)構(gòu)代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有多方面的優(yōu)勢，特別是在日本阪神大地震中，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了充分的體現(xiàn)。根據(jù)日本阪神大地震資料，鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震中的受損率遠(yuǎn)低于混凝土結(jié)構(gòu)建筑。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為發(fā)達(dá)國家高層建筑的發(fā)展趨勢。鋼結(jié)構(gòu)在美國發(fā)展最快，1965年鋼結(jié)構(gòu)在美國僅占建筑市場的15％，到2000年就上升到75％。日本鋼結(jié)構(gòu)已達(dá)到總建筑面積的40%以上，美國、西歐新建的工業(yè)與民用建筑也以鋼結(jié)構(gòu)為主。

　　四、建筑材料的抗震思考

　　綜合以上分析不難得出，從建筑材料的角度分析抗震要求，一方面材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，雖然強(qiáng)度高并不等于高抗震，但對于具有脆性材料特征的建筑材料，其抗折、抗拉強(qiáng)度更為重要；另一方面是材料應(yīng)具有優(yōu)異的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同使役環(huán)境下、不同介質(zhì)對材料產(chǎn)生的各種不利影響，以提高材料使役中的安全性和延長使役壽命。

　　水泥、混凝土目前作為人類使用量最大的建筑材料，自1824年誕生至今，在人類社會經(jīng)濟(jì)與文明發(fā)展的過程中起到非常重要的作用。但從抗震的角度，水泥混凝土由于屬于脆性材料，這對于作為結(jié)構(gòu)材料尤其是有高抗震要求的地區(qū)建筑的結(jié)構(gòu)材料是不利的。這一問題既可以在混凝土工程中通過結(jié)構(gòu)設(shè)計或采用鋼筋增強(qiáng)等途徑得到解決，也可以通過對水泥混凝土自身的改性進(jìn)行應(yīng)對。

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　　從提高水泥混凝土抗震性能而言，對水泥混凝土自身的改性途徑很多，一般可以包括（但不限于）以下幾個方面或它們的組合：

　　首要的是要嚴(yán)格控制混凝土拌合用水量?；炷恋墓ぷ餍浴?qiáng)度、耐久性各項性能均對用水量非常敏感，水膠比從0.5降低到0.3以下可使混凝土的強(qiáng)度至少提高一倍，其主要途徑摻加高效減水劑，不僅大大改善混凝土的工作性，而且能夠通過降低混凝土用水量而大幅度提高混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的致密性、耐久性和可靠性；但必須指出，強(qiáng)度不是萬能的方案，混凝土強(qiáng)度越高，極限壓應(yīng)變越小，混凝土破壞時脆性特征越明顯，這對于抗震來說是不利的，必須復(fù)合采用增韌技術(shù)。

　　采用聚合物改性，可以顯著提高混凝土的抗?jié)B性、抗侵蝕能力，改善漿體與集料界面的結(jié)合，而且摻加達(dá)到一定量時，脆性的混凝土開始呈現(xiàn)聚合物良好的延性特征，在國際上已經(jīng)開發(fā)成功的超高強(qiáng)水泥彈簧，即是該應(yīng)用的一個極端例證；

　　摻加聚合物纖維可有效地提高混凝土的早期抗裂能力，混凝土的延性也可得到提高。研究結(jié)果表明：摻加體積份數(shù)2%的PVA 纖維，可提高混凝土的3-7%的拉應(yīng)變，而不引起試件的強(qiáng)度損失或折斷，目前該技術(shù)已在日本的新建大型建筑中應(yīng)用；

　　摻加鋼纖維可以顯著提高混凝土的機(jī)械性能。由于鋼纖維阻止混凝土的開裂和裂縫擴(kuò)展，從而使其抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度等較普通混凝土顯著提高，其抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性也有較大改善，因此鋼纖維混凝土是一種性能良好的新型復(fù)合材料。鋼纖維對基體混凝土的增強(qiáng)作用隨著纖維的體積含量、長徑比的增大而增大，但在工程實際中，纖維含量有一定限值，超過這一限值，用一般方法攪拌、成型就有困難。對于一般常用的鋼纖維混凝土，其體積含量建議取1.0%-2.0%，長徑比建議取值。應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)部位，如柱梁節(jié)點、柱子、扁梁柱節(jié)點、樁基承臺、屋面板、轉(zhuǎn)換梁、筏形基礎(chǔ)等。采用鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點的框架與普通鋼筋混凝土框架相比，結(jié)構(gòu)的延性提高57%，耗能能力提高130%，荷載循環(huán)次數(shù)提高了15%，在框架梁柱節(jié)點采用鋼纖維混凝土可代替部分箍筋，既改善了節(jié)點區(qū)的抗震性能，又解決了鋼筋過密、施工困難等問題。

　　在保證混凝土足夠的堿度防止鋼筋銹蝕破壞以及碳化破壞的同時，適宜摻加摻合料可降低混凝土結(jié)構(gòu)中主要存在于孔隙和漿體與集料界面的氫氧化鈣的含量，改善界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗?jié)B性；

　　集料質(zhì)量也是影響混凝土質(zhì)量、尤其是混凝土的耐久性的重要因素。例如，用堿活性集料或含有害組分的集料制備的混凝土不僅可導(dǎo)致混凝土耐久性的降低和壽命的縮短，而且可能在突發(fā)災(zāi)害中加速破壞而導(dǎo)致巨大損失。2003年土耳其地震后對倒塌建筑調(diào)查的結(jié)果表明，由于不當(dāng)使用含氯離子高的海砂作為集料制備混凝土是導(dǎo)致增強(qiáng)鋼筋加速銹蝕而使混凝土建筑在震中倒塌的主要原因。

　　當(dāng)然，從通用水泥自身也可提出許多有益于提高混凝土耐久性的要求，如降低熟料礦物組成的C3A含量、適宜控制水泥比表面積和水化熱、降低水泥中氯離子含量、堿含量等；

　　此外，還可以從根本上調(diào)整水泥品種，例如選用低水化放熱、高后期強(qiáng)度、尤其是抗折強(qiáng)度高、抗侵蝕性好的低熱硅酸鹽水泥，即高貝利特水泥，對于重點工程建設(shè)是一種更好的技術(shù)途徑。高貝利特水泥低熱高強(qiáng)的特性表明，它是配制高強(qiáng)高性能混凝土的理想的膠凝材料，所配制的高貝利特大體積混凝土抗裂性優(yōu)越、且具有良好的體積穩(wěn)定性和優(yōu)越耐久性，已在國家重點工程應(yīng)用中得到證明。

　　五、結(jié)束語

　　“往者不可諫，來者猶可追”。告慰逝者最好的方式是立即行動起來，以尊重生命為最高原則，以科學(xué)技術(shù)為支持手段，嚴(yán)肅認(rèn)真做好震后調(diào)研分析，制定合理、有效、安全的應(yīng)對體系，積極投入重建和未來發(fā)展中。