隋同波：灾后重建，建材当先行
一、综合分析
统计资料表明，建筑物的破坏和倒塌造成的人员伤亡，占地震伤亡人数的95％。汶川地震破坏力之大为世界罕见，震中汶川、北川地区最大烈度高达11度，大大超出了原有四川省建筑抗震设防7度的标准。但同为中心灾区，有些城镇受损惨烈，有些相对较轻；同为建筑大楼，有的顷刻间土崩瓦解，造成重大伤亡，有的却屹立不倒，为身在其中的人们争取到宝贵的逃生时间。四川汶川大地震使灾区房屋毁坏严重，在重灾区之一的绵阳，绵阳九洲体育馆屹立不倒，各系统运转良好，成为绵阳市及周边灾民的避难场所。究其原因，一方面是设计单位在6度设防地区为保障构造安全度按7度设计，同时，最重要的是该项目实施了科学的结构安全设计。因此，牢固的建筑是最可掌控的救命之根本，重视抗震设计、加强抗震设防至关重要。
地震对建筑的损害主要是对结构的损害，地震以“波”的表现形式出现，先到达地表的是纵波，表现形式为上下震动，这样的震动很容易把房屋结构震松；随后到达的是横波，呈现水平晃动，受纵波损害的房屋结构实际已经松散，在水平晃动的剪切作用下很容易倒塌。
吸取这次地震的教训，一方面应适当提高我国部分地区的抗震设防标准，对抗震等有关规范作必要的修改，尤其是对人员密集的学校和医院建筑，应该采用较好的结构体系，适当提高设防标准。研究表明，大规模提高大型公共建筑的抗震标准，投入不到该建筑总造价的10％资金，可以将其抗震性能提高一倍以上，而且灾害一旦来临可作为避灾疏散点，可见此举对抗震防灾的作用是事半功倍的。另一方面，应加强对抗震新技术的研究和应用。目前，我国国际比较流行的抗震新技术，一种是建筑物下方隔震技术，另一种是利用阻尼器吸收部分地震能量、降低建筑结构本身的受力等。从20世纪70年代后，这些技术已逐步应用到建筑、桥梁等结构工程中，其发展十分迅速。
在经济高速发展的现代社会，人类居住的城市已经成为人口高度密集、地面高楼如林、空间大跨度桥梁众多，地下电力、通讯、燃气、供水、污水管网密布的一个庞大系统。越是庞大的系统本身越是脆弱，某一个环节出现问题就会形成连锁反应，造成巨大的损失和危害。因此，如何应对自然灾害，国际上已经形成一个共识，就是预防为主，防抗救避相结合，即在灾害来临前做好各种预防措施，在灾害来临时，为应急救灾提供支撑，将损失降低到最低限度。就建设领域而言，对城市道路、建筑物、水电等基础设施做好抗震设防和规划建设等预防工作乃重中之重。
二、见证灾害
汶川大地震，各种媒体全方位地报导灾情以及救援、重建工作进展，以下是从众多的信息中提取的两个有关建筑方面的典型事实：
公建工程，尤其是学校垮塌严重，造成巨大生命损失
大地震造成了校舍严重倒塌和师生重大伤亡，令人痛惜。专家指出，学校建筑垮塌严重，是由于大部分学校建筑是不利于抗震的单跨结构，而且空间跨度大，墙与梁、柱之间的相互约束较弱，门窗面积较大。但到都江堰市聚源中学现场的专家也注意到一个现象，教学楼两边的教室全部倒塌了，而中间现浇的钢筋混凝土楼梯板由于钢筋的支撑以及梯板与梁、柱的结合而依然矗立，事实上无延性的混凝土梁柱以及无筋砌体成为垮塌的主因。
实际上，这一问题在国际上早有惨重教训以及应对方案。日本在1923年关东大地震后，确立“学生生命维系着国家未来”的最高原则，强制性规定所有学校教学楼必须使用钢筋混凝土结构。从此，学校便成为日本最牢固的建筑，同时也成为地震后灾民的第一避难场所。
村镇建筑毁损严重，亟待提高抗灾安全标准和技术支撑
此次地震灾区农房建筑损毁比较严重。从我国的村镇建设来看，主要是砖木砌体房屋，墙体是由砖、石、土坯等材料垒起来的。比如四川羌族聚集居住地房屋结构主要为石砌墙体或土墙体，由于组成这种房屋的各部分连接较差，组成房屋的各个构件连接不牢，外墙墙体间的连接、墙体与房顶的连接都是薄弱环节。另一方面，农民建房一直以自建为主，从规划、设计、施工到灾害保险等常常处于无人监督的状况，农村建筑呈现出整体上的“不设防”格局。
为此，在灾后重建过程中，要加强对农民住宅建设的监管，统一规划、设计并严格施工管理，所以，制定农房建设质量安全标准和提供抗灾技术支持已迫在眉睫。一方面要从目前农村的经济情况出发，在尊重当地文化习俗的前提下，通过对砖木房屋等传统结构进行合理抗震改造，以提高抗震能力，减轻地震灾害；另一方面，应确保村镇住宅更新、改造沿着安全、健康、舒适、生态、具有地域及文脉特征的道路发展，在逐步完善村镇住宅功能的前提下，提高村镇住宅结构的整体性、构件连接节点的强度，确保住宅结构抗震安全和适用性。
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三、现有建筑结构体系抗震简析
“地震本身不会伤害人类，伤人的是在震中被破坏的建筑”。从抗震角度，建筑结构设计最重要。实现的途径一是赋予建筑足够的强度、刚度和延性以抵御地震作用于建筑上的破坏力；另一方面是采用新技术和设备，抵消或减少地震作用于建筑上的破坏力。
一个建筑是否抗震更多地取决于结构设计而不是用什么材料建造。因此从理论上讲，各种建筑结构无论是木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构或钢结构，只要严格按照抗震要求进行规划、设计、选材、施工和维护，均可起到抵御一定烈度地震的作用，但不同结构形式的建筑抗震能力仍有差别。
木结构建筑是以被公认的具有良好延性的木材作为主体结构材料，墙体和屋架体系一般是由结构木方、板材、保温棉填充而成，是目前国际上尤其是北美、新西兰以及日本等国家低层和多层住宅采用的主要结构形式。木结构建筑具有自身质量轻、强度高以及结构的柔韧性高等特性，表现出良好的抗震性能。加拿大国家林产业技术研究院通过对过去40余年世界上主要的7次地震中将近50万栋木结构建筑的情况分析发现，总共只有34人因平台框架建筑损坏而丧生。相比之下，1999年的土耳其地震摧毁了在建筑中广泛使用砖石和混凝土的区域，造成了40，000人丧生。但也必须指出，1995年1月日本神户地震的伤亡损失主要来自传统的一、二层木质结构建筑，灾后引起的大火加剧了灾害的损失。灾后的调查显示，只有很小横向承载力的以传统日本式梁柱风格建造的旧房屋受到很大破坏。这些建筑主要采用木质梁、柱，竹质或薄木板墙和自重大的陶瓷瓦屋面，其间的连接主要依靠木质结构搭接，没有用钉子或其他方式加强。结果还表明，采用钢筋混凝土结构和钢结构建筑的倒塌比例基本相当，分别是4.9%和5.3%。
砖混结构多为城市郊区、村镇建筑所采用，主要建筑材料包括砖、砌块、水泥、砂石等，这些砌体材料均属脆性材料，抗折强度低。砖混结构一般以多层 （24米以下，住宅10层以下）或者跨度不大的建筑为主。这种砌体结构的特点是具有良好的受压能力，但抵御剪切应力的能力弱，易在地震引起的剪切力的作用下发生脆性破坏。按一定原则增加圈梁和承重柱的韧性，同时采用钢筋加固砌体墙体以及墙体与基层的连接，可以有效地提高结构的抗震能力。美国加州自1977年旧金山地震后，1981年以法令形式强制要求房主必须对老旧砖混结构房屋加固，主要采用钢筋锁固山墙，增强抗震能力。1994年1月洛杉矶发生6.7级地震后，美国砌体协会立即在震后数小时内组织专家对140个砌体建筑进行评估。结果表明，1981年后采用现代增强技术加固的砌体建筑结构只有很小破坏甚至未被破坏。而许多传统的未经加固的砌体结构建筑垮塌或严重毁损。据调查，出于同样的原因，2003年发生在土耳其和伊朗的地震虽然不足7级，但数千人由于砖结构建筑倒塌失去生命。
钢筋混凝土结构是我国目前城市建筑的主导建筑形式。我国抗震设计对钢筋混凝土结构提出的是“高延性要求”，即要求结构在较大的屈服后塑性变形状态下仍保持其竖向荷载和抗水平力的能力，因此这是一种安全、持久的复合结构，主要应用于高层建筑（10层及10层以上的居住建筑或高度超过24米的建筑。钢筋混凝土结构主要有框架结构、剪力墙结构及框剪混合结构。框架结构由钢筋混凝土浇灌成的承重梁柱组成骨架，再用空心砖或预制的加气混凝土、陶粒等轻质板材作非承重墙体围护和隔离分户装配而成，目前最为普遍采用。框架结构延性设计原则是“强剪弱弯，弱梁强柱，更强节点”；剪力墙结构是由钢筋混凝土浇筑成墙体，即剪力墙，用以承受竖向和水平作用力；框剪结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，吸取了二者的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗震性能。混凝土主要表现为脆性材料，其抗压强度远大于砌体结构材料，但抗拉强度低，且混凝土性能对用水量非常敏感，必须严格控制，在复合结构中混凝土主要承受压力载荷；增强钢筋具有优良的承受压、拉多种载荷能力的韧性材料。钢筋、混凝土二者互补受力，从而赋予建筑良好的刚度、强度以及延性，以抵御地震产生的破坏力。钢筋增强的原则是在混凝土受压破坏之前其中的钢筋由于达到受拉极限发生破坏。
钢结构是以钢材为主要结构材料。钢材的特点是强度高、重量轻，具有高的强度和良好的延性，同时由于钢材料的匀质性和强韧性，可有较大变形，能很好地承受动力荷载，具有很好的抗震能力。其中，屈强比是衡量钢的加工硬化能力的一个重要参数。屈强比越低，钢结构抵抗强震的能力就越强。欧洲建筑钢要求屈强比小于0.91,而日本要求建筑钢屈强比小于0.80。由于钢结构建筑具有自重轻、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，但造价相对较高，目前应用不是非常普遍。 一般的超高层建筑（100米以上）或者跨度较大的建筑通常应用钢结构。用钢结构代替钢筋混凝土结构具有多方面的优势，特别是在日本阪神大地震中，钢结构的抗震性能得到了充分的体现。根据日本阪神大地震资料，钢结构建筑在地震中的受损率远低于混凝土结构建筑。目前，钢结构建筑代替钢筋混凝土结构已成为发达国家高层建筑的发展趋势。钢结构在美国发展最快，1965年钢结构在美国仅占建筑市场的15％，到2000年就上升到75％。日本钢结构已达到总建筑面积的40%以上，美国、西欧新建的工业与民用建筑也以钢结构为主。
四、建筑材料的抗震思考
综合以上分析不难得出，从建筑材料的角度分析抗震要求，一方面材料应具有足够的强度，虽然强度高并不等于高抗震，但对于具有脆性材料特征的建筑材料，其抗折、抗拉强度更为重要；另一方面是材料应具有优异的耐久性和安全可靠性，用以抵御不同使役环境下、不同介质对材料产生的各种不利影响，以提高材料使役中的安全性和延长使役寿命。
水泥、混凝土目前作为人类使用量最大的建筑材料，自1824年诞生至今，在人类社会经济与文明发展的过程中起到非常重要的作用。但从抗震的角度，水泥混凝土由于属于脆性材料，这对于作为结构材料尤其是有高抗震要求的地区建筑的结构材料是不利的。这一问题既可以在混凝土工程中通过结构设计或采用钢筋增强等途径得到解决，也可以通过对水泥混凝土自身的改性进行应对。
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从提高水泥混凝土抗震性能而言，对水泥混凝土自身的改性途径很多，一般可以包括（但不限于）以下几个方面或它们的组合：
首要的是要严格控制混凝土拌合用水量。混凝土的工作性、强度、耐久性各项性能均对用水量非常敏感，水胶比从0.5降低到0.3以下可使混凝土的强度至少提高一倍，其主要途径掺加高效减水剂，不仅大大改善混凝土的工作性，而且能够通过降低混凝土用水量而大幅度提高混凝土强度，进而提高混凝土结构的致密性、耐久性和可靠性；但必须指出，强度不是万能的方案，混凝土强度越高，极限压应变越小，混凝土破坏时脆性特征越明显，这对于抗震来说是不利的，必须复合采用增韧技术。
采用聚合物改性，可以显著提高混凝土的抗渗性、抗侵蚀能力，改善浆体与集料界面的结合，而且掺加达到一定量时，脆性的混凝土开始呈现聚合物良好的延性特征，在国际上已经开发成功的超高强水泥弹簧，即是该应用的一个极端例证；
掺加聚合物纤维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。研究结果表明：掺加体积份数2%的PVA 纤维，可提高混凝土的3-7%的拉应变，而不引起试件的强度损失或折断，目前该技术已在日本的新建大型建筑中应用；
掺加钢纤维可以显著提高混凝土的机械性能。由于钢纤维阻止混凝土的开裂和裂缝扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善，因此钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料。钢纤维对基体混凝土的增强作用随着纤维的体积含量、长径比的增大而增大，但在工程实际中，纤维含量有一定限值，超过这一限值，用一般方法搅拌、成型就有困难。对于一般常用的钢纤维混凝土，其体积含量建议取1.0%-2.0%，长径比建议取值。应用于一些结构部位，如柱梁节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁、筏形基础等。采用钢纤维混凝土梁柱节点的框架与普通钢筋混凝土框架相比，结构的延性提高57%，耗能能力提高130%，荷载循环次数提高了15%，在框架梁柱节点采用钢纤维混凝土可代替部分箍筋，既改善了节点区的抗震性能，又解决了钢筋过密、施工困难等问题。
在保证混凝土足够的碱度防止钢筋锈蚀破坏以及碳化破坏的同时，适宜掺加掺合料可降低混凝土结构中主要存在于孔隙和浆体与集料界面的氢氧化钙的含量，改善界面结构，提高混凝土的抗渗性；
集料质量也是影响混凝土质量、尤其是混凝土的耐久性的重要因素。例如，用碱活性集料或含有害组分的集料制备的混凝土不仅可导致混凝土耐久性的降低和寿命的缩短，而且可能在突发灾害中加速破坏而导致巨大损失。2003年土耳其地震后对倒塌建筑调查的结果表明，由于不当使用含氯离子高的海砂作为集料制备混凝土是导致增强钢筋加速锈蚀而使混凝土建筑在震中倒塌的主要原因。
当然，从通用水泥自身也可提出许多有益于提高混凝土耐久性的要求，如降低熟料矿物组成的C3A含量、适宜控制水泥比表面积和水化热、降低水泥中氯离子含量、碱含量等；
此外，还可以从根本上调整水泥品种，例如选用低水化放热、高后期强度、尤其是抗折强度高、抗侵蚀性好的低热硅酸盐水泥，即高贝利特水泥，对于重点工程建设是一种更好的技术途径。高贝利特水泥低热高强的特性表明，它是配制高强高性能混凝土的理想的胶凝材料，所配制的高贝利特大体积混凝土抗裂性优越、且具有良好的体积稳定性和优越耐久性，已在国家重点工程应用中得到证明。
五、结束语
“往者不可谏，来者犹可追”。告慰逝者最好的方式是立即行动起来，以尊重生命为最高原则，以科学技术为支持手段，严肃认真做好震后调研分析，制定合理、有效、安全的应对体系，积极投入重建和未来发展中。
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