武汉市主城区中小学建筑物震害及人员伤亡预测

聂肃非， 李 黎， 孙 明， 李江华

(1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2.武汉市城乡建设委员会， 湖北 武汉 430023； 3.武汉市抗震办公室， 湖北 武汉 430023)

汶川地震调查数据显示，在这次地震中仅四川省就有7000余间校舍倒塌[1]。地震过后，留给我们的是沉重的思考：提高中小学建筑抗震性能刻不容缓。因此新颁布的《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)[2]第6.0.8规定：教育建筑中，小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂，抗震设防类别应不低于重点设防类，即乙类，把很多教育建筑的重要性等级提高了一级。武汉是湖北省省会，在《中华人民共和国地震动参数区划图》[3]上，大部位于0.05g基本地震加速度分区及0.35s特征周期分区，地震基本烈度为VI度，属我国抗震设防区。依据近两年采用的《武汉市(主城规划区)地震动参数小区划图》[4]，武汉市主城区小区划范围内的地震基本烈度仍为VI度，但设计地震动参数有较大的变化(接近七度)，因此亟需对武汉市旧有的中小学建筑按新的标准进行抗震性能评价，不满足抗震设防要求的建筑要作进一步的抗震鉴定和加固改造。本文在对武汉市7个主城区与2个国家级开发区中小学教育建筑进行调查和统计分析的基础上，进行了逐栋的抗震性能评价，建立了不同类型结构的震害矩阵，并进行了不同地震烈度下的人员伤亡预测。给下阶段规划武汉主城区中小学建筑抗震加固改造方案以及抗震疏散方案提供参考。

1 武汉市中小学建筑抗震调查

根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)，中小学的教学用房以及学生宿舍和食堂，抗震设防属于重点设防类，这类建筑是这次调查统计的对象。

对武汉市公办中小学建筑的抗震性能调查，按普查、统计、计算分析、结论这几个步骤来进行，根据需要调查的内容，设计了武汉市中小学建筑物调查表，该表格涵盖了需要调查的影响建筑抗震性能的基本信息，主要包括：中小学名称、地址、建筑物名称、目前用途、建设年代、建筑面积、层数、平面形状、结构类型、学校人数、安全鉴定等级、必要的说明等信息。调查人员持表到每个学校逐栋调查，完成表格。

共调查公办中小学526所，其中小学276所，小学建筑915栋，小学建筑总面积1312193平方米，中学(包括接收未成年人的职业技术学校等中专)250所，中学建筑973栋，中学建筑总面积2330184平方米。具体结果见表1。

表1 中小学建筑物数量统计(按结构类型，栋数)

由调查结果可以看出，武汉市中小学建筑主要集中在框架和砌体这两种结构型式，其他结构形式主要为砖木、排架、钢结构，所占比例很小。

2 抗震评价及震害预测

目前国内外单体建筑物的震害预测主要形成了六种方法，包括：历史震害统计法、专家评估法、模糊类比法、半经验半理论法、结构理论计算方法和动态分析法[5]。针对不同的建筑型式分别采用不同的方法。

对于武汉市教育系统建筑而言，其结构型式共分为五大类，即砌体结构、框架结构、砖木结构、排架结构和钢结构等；其中又以砌体结构和框架结构占绝对比重。

砌体房屋抵抗地震力的主要构件是墙体。震害表明墙体的破坏主要是剪力引起的，基于楼层单位面积的平均抗剪强度作为砌体结构房屋的抗震能力指标的楼层单位面积平均抗剪强度系数法可以作为多层砌体房屋抗震性能评价的简化方法[6]；框架结构的地震反应与其层间屈服承载能力(通常用层间抗剪或抗弯屈服承载力系数表征)密切相关[7]。对该类结构通常先计算各层层间屈服强度系数，从而确定薄弱楼层并求得其对应的延伸率，然后兼顾现行的建筑抗震设计规范和抗震鉴定标准以及影响震害的因素进行修正，最后用修正得到的延伸率值作为其震害的判断指标，从而确定结构的震害。

收集大量具有代表性的武汉市中小学建筑物图纸建立力学模型[5]进行震害评测。选取建筑的用途、建设年代、场地类别和建筑层数作为抗震性能评价的类比参数， 对所调查的1888建筑，按《武汉市地震动参数小区化图》提供的对应震级，采用类比的评价方法[8]进行了单体震害评价预测，得出每一栋中小学建筑在小震、中震、大震以及巨震下单体的抗震性能评价结果，分五级给出建筑在不同地震烈度下的抗震性能评价：基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏[8]。

分别就这些中小学建筑的震害表现进行统计，得出相应的震害矩阵。武汉市中小学建筑整体震害矩阵按面积百分比统计结果见表2～表4。

表2 中小学建筑震害矩阵(面积百分比)

表4 中小学建筑砌体结构震害矩阵(面积百分比)

按照“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防原则，武汉市城区中小学建筑物的总体表现为：在小震下未出现中等破坏及以上情况；中震下发生严重破坏的建筑面积占0%；大震下严重破坏的房屋按面积占百分比为21.65%；巨震下，严重破坏与倒塌的房屋按面积百分比为42.61%。中小学教育建筑总体抗震性能一般，大量建筑需要作进一步的抗震鉴定，看是否需要进一步的加固改造或者拆除重建。

按结构形式来看，大震下发生严重破坏的教育系统建筑建筑面积占各自城区建筑面积的百分比为： 砌体结构35.94%，框架结构0.69%；巨震下发生严重破坏与倒塌的建筑面积百分比为：砌体结构57.65%，框架结构20.32 %。中小学教育建筑框架结构抗震性能优于砌体结构抗震性能。

3 地震时中小学人员伤亡预测

中小学仅在正常教学期间人口密度最大，因此本文的地震人员伤亡预测也仅针对发生在这一时刻的地震进行。考虑到学生有大量的课(如体育课等)在户外，在计算时考虑80%的学生在教室上课，20%学生在户外集体活动。地震时候造成人员死亡的直接原因主要是由于房屋损毁引起的。因此预测伤亡的基本因素应该包括房屋在地震中的受损情况及建筑物内部的人数多少。为方便起见，统一用单位面积上容纳的人数来估算中小学建筑物内部的人数[9]。根据武汉市教委掌握的资料，按每平米0.12个学生比较合理，即生均占用面积为8.3平方米左右。

通过对近代国内外地震中人员伤亡情况的统计分析，本文采用表5[10]来确定房屋破坏程度与人员伤亡比例质检单的关系。

表5 房屋破坏程度与人员伤亡比例 %

有了以上数据，当遭遇烈度为I的地震作用时候，中小学建筑内的人员伤亡数可以按下式计算：

AiI=A×BiI

式中，AiI是指烈度I下破坏程度为i时建筑面积(i=1，基本完好；i=2，轻微破坏；i=3，中等破坏；i=4，严重破坏；i=5，倒塌)，A为中小学建筑总面积，BiI为烈度为I时候破坏程度为i的建筑占建筑总面积的比值，DiI为中小学在烈度I下的伤亡人数，n为单位面积上学生数目，ri为i破坏程度下死亡人数或者受伤人数比。

为简化计算，调查中的其他结构形式数据归并到砖混结构中，得到武汉市主城区中小学在不同地震等级下伤亡人数如表6。

表6 不同震级下人员伤亡数量

从数据来看，在巨震下，武汉市中小学有近13124的伤亡人数，在大震下，也有近3823人的伤亡人数。由此可见，武汉市主城区中小学的抗震性能存在明显不足，需进行进一步的抗震鉴定和加固改造。

4 结 论

通过对武汉市主城区中小学526中小学的1888栋建筑的抗震调查意见评价和震害预测，19.10%的建筑(约788943 m2)在大震情况下发生严重破坏或倒塌，33.27%的建筑(约1552000 m2)在巨震时严重破坏或倒塌；大震下伤亡人数达到3823人，巨震下伤亡人数达到13124人，基本反映了武汉市中小学建筑的抗震水准，说明武汉市主城区中小学建筑抗震性能不容乐观，进一步的抗震鉴定与加固改造势在必行。这些预测可以为其他地区震害预测积累经验，也可以给下阶段武汉市学校建筑抗震改造加固方案的制定提供参考。

[1]邵莲芬，李 勇，申功伟.从汶川地震之影响谈我国“中小学教学楼的加固与设计”[J]工程抗震与加固改造，2008，(8)：81-91.

[2]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[3]GB 50003-2001，建筑结构荷载规范[S].

[4]武汉市城乡建设委员会.武汉市抗震防灾规划纲要(2008～2020)[Z].武汉：武汉市城乡建设委员会，2009.

[5]乔亚玲，闫维明．建筑结构震害预测方法研究评述[J]．工业建筑，2005,35(6)，1-5.

[6]石宇峰.9308房屋建筑的震害预测方法[J]．企业技术开发，2004,23(6)，9-11.

[7]王开顺,叶 倩. 钢筋混凝土结构震害预测[J]. 建筑结构学报, 1993,(4):46-51.

[8]尹之潜.地震灾害及损失预测方法[M]. 北京:地震出版社,1996.

[9]教发[2008]19号文件，教育部 住房和城乡建设部关于做好学校校舍抗震安全排查及有关事项的通知[Z].北京：中华人民共和国教育部，2008.

[10]廖 旭，高常波，韩绍欣.不同时刻地震直接人员伤亡人数的预测[J].自然灾害学报，1999,(11)：92-95.