華北理工大學(xué)圖書館地震遺址復(fù)原及崩塌研究★

賈宇淇 馬麗慧 韋 亮

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

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華北理工大學(xué)圖書館地震遺址復(fù)原及崩塌研究★

賈宇淇 馬麗慧 韋 亮

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

通過數(shù)字化虛擬了唐山大地震前剛落成的華北理工大學(xué)圖書館舊館，并構(gòu)建了實(shí)體建筑模型，以“虛實(shí)結(jié)合”的方式重現(xiàn)圖書館崩塌前的原貌，同時(shí)與現(xiàn)存的斷壁殘?jiān)髁藢?duì)比，嘗試還原圖書館在地震波沖擊下的倒塌過程。

圖書館，遺址原貌，地震，崩塌分析

華北理工大學(xué)地震遺址原為華北理工大學(xué)前身之一的河北礦冶學(xué)院圖書館，位于唐山市中心區(qū)，1975年始建，在1976年7月發(fā)生的唐山大地震中毀于一旦。該圖書館遺址至今基本保留了地震時(shí)遭破壞的原貌，集中展示了建筑受到復(fù)雜地震力破壞后所呈現(xiàn)的錯(cuò)位、剪切、跌落、倒塌的后果，反映出那個(gè)年代鋼筋混凝土預(yù)制和現(xiàn)澆兩種形式抗震性能的特點(diǎn)，是研究建筑抗震的珍貴樣本。2006年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，該遺址成為國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

1 圖書館遺址原貌

1.1 建筑設(shè)計(jì)

圖書館未遭地震破壞時(shí)建筑面積為4 049 m2，設(shè)計(jì)采用閱覽與藏書分別占用建筑空間的閉架管理，藏、借、閱、管四大功能的獨(dú)立分區(qū)，以借書和出納空間為聯(lián)系，按書刊流動(dòng)的路線管理，強(qiáng)調(diào)讀者與圖書分離，互不交叉干擾。

進(jìn)入位于建筑中央的門廳，左手邊是圖書館主體部分——閱覽室，能同時(shí)容納750人閱覽，右手邊是圖書加工、采編及行政辦公用房。讀者上下樓主要通過門廳內(nèi)的主樓梯，出于疏散的考慮，建筑主體東西兩端各自設(shè)置了疏散樓梯和與之匹配的次入口。后排書庫內(nèi)有供圖書館館員使用的工作梯及專門用來搬運(yùn)書籍的升降貨梯。

閱覽室平面柱網(wǎng)的尺寸是按當(dāng)年預(yù)制裝配式空心樓板的模數(shù)制設(shè)計(jì)，以6 m×5 m為一個(gè)網(wǎng)格，南北進(jìn)深采用6 m跨，東西開間為5 m跨,東西外廓總長約70 m，南北進(jìn)深共兩跨總長12 m。閱覽室部分共有3層，層高均為4.5 m，建筑總高14 m。

后排書庫由2排6列共12根無梁樓蓋支撐，柱間距3.6 m，柱與外墻間距3.3 m,書庫外廓長25 m，寬12 m。書庫共4層，建筑總高度為9.3 m，底層層高2.55 m，2層～4層層高均為2.25 m[1]。

1.2 構(gòu)造特點(diǎn)

地基持力層為砂質(zhì)粘土，冰凍線尺寸約為地下0.8 m，整棟建筑采用獨(dú)立基礎(chǔ)中的杯形柱基。閱覽室的柱與外墻基礎(chǔ)埋深都是2.3 m。柱基礎(chǔ)下部為450 mm厚的三七灰土墊層，上設(shè)1 m厚的柱基，外墻基礎(chǔ)下面同樣墊450 mm厚的三七灰土，與地面間砌筑毛石。

書庫內(nèi)12個(gè)獨(dú)立柱基下面砌筑了1.1 m厚的粗料石，上設(shè)0.5 m厚的鋼筋混凝土柱基。邊柱、墻基下部為450 mm厚三七灰土墊層，墊層上再設(shè)寬2.2 m,厚350 mm的鋼筋混凝環(huán)帶，相當(dāng)于一個(gè)大的地圈梁。

房屋外墻用MU75磚，M25砂漿一橫一順砌筑，厚370 mm，內(nèi)墻厚240 mm，地面與樓板上鋪細(xì)石混凝土，主要房間采用水磨石地面。閱覽室與書庫區(qū)別在于:前者結(jié)構(gòu)為預(yù)制柱與梁的裝配式結(jié)構(gòu),而后者采用的是鋼筋混凝土柱與無梁樓板的現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)。

1.3 外觀設(shè)計(jì)

圖書館的外部造型呈現(xiàn)“工”字型的軸對(duì)稱布局，正立面采用的是“橫三縱五”的構(gòu)圖手法，中央體塊突出，和后排書庫的檐口部分女兒墻都貼有裝飾線腳。前排兩翼的閱覽室部分沒有女兒墻，采用了挑檐排水，同時(shí)為了豐富立面變化，增加垂直線條，在每個(gè)開間的中央又額外立了一根與框架柱一樣的磚柱，使得矩形窗豎向排列成符合黃金分割比例的效果?？傮w上圖書館外觀設(shè)計(jì)體現(xiàn)出我國20世紀(jì)70年代“多、快、好、省”的建設(shè)方針，樸實(shí)大方，見圖1。

2 唐山大地震對(duì)圖書館建筑的破壞

2.1 唐山大地震概況

發(fā)生在1976年7月28日的里氏7.8級(jí)唐山大地震，震源深度11 km，地震災(zāi)區(qū)1 000多萬平方米的建筑倒塌和嚴(yán)重破壞。后經(jīng)勘測，唐山市有兩條較大的地震斷裂帶，其中之一的唐山斷裂帶是唐山地震的震源，而另一條陡河斷裂帶南北向穿過圖書館遺址所在校園[2]。

2.2 地震過后的圖書館

圖書館位于地震震中西側(cè)4 km處，盡管建筑東西方向是長軸，比長軸是南北向受損要小，但在巨大的地震破壞力面前仍不堪一擊，嶄新的建筑損毀嚴(yán)重：建筑前排閱覽室部分東側(cè)有三跨六個(gè)柱網(wǎng)單元保持屹立，與之藕斷絲連的是最東端的一跨開間，對(duì)震后殘存的框架進(jìn)行觀測，其頂部向東南方向側(cè)移了290 mm[3]。西側(cè)閱覽室自北向南倒塌，房頂散落在基地南邊。中央突出的體塊轟然倒塌，只剩下一地的斷壁殘?jiān)?，見圖2。

后排書庫的外觀看似保存完整，其實(shí)不然——書庫的首層在強(qiáng)烈的地震破壞中被碾碎了，現(xiàn)在看到的是原來的2層～4層，書庫整體向北偏東方向位移了約1 m，最終呈現(xiàn)出東南角比西北角高約半層的形態(tài)。

3 圖書館倒塌的影響因素

3.1 地震設(shè)防的缺失

抗震設(shè)防烈度是對(duì)建筑物的抗震性能的要求，比如目前唐山地區(qū)的抗震設(shè)防烈度就是8度。大地震前的唐山地區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度為6度——6度的地震時(shí)表象為建筑中人站立不穩(wěn)，對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說就是不進(jìn)行抗震設(shè)防計(jì)算。而圖書館所受到的破壞烈度達(dá)到了11度——地震時(shí)表象為絕大多數(shù)房屋倒塌，路基堤岸大段崩毀，地表產(chǎn)生很大變化。從根源上看，當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐男袠I(yè)規(guī)范里就沒有此類房屋要“小震不壞，大震不倒”的要求，是造成圖書館沒有禁得起毀滅性地震破壞的首要原因。

3.2 地震橫波作用

1976年唐山大地震的震動(dòng)頻率是2 Hz左右，強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間約23 s。據(jù)地震經(jīng)歷者回憶：大地先是縱向震動(dòng)幾秒鐘，然后是橫向震動(dòng)，對(duì)建筑物的破壞主要就是橫波。地震中記錄的地震波譜說明，地震載荷為隨機(jī)的交變載荷。圖書館后排的書庫在高速度橫波高的循環(huán)應(yīng)變作用下，底層墻柱的鋼筋混凝土受剪切破壞完全粉碎，導(dǎo)致書庫上3層與基礎(chǔ)脫離，跌落到一旁。對(duì)唐山地震遺址所取鋼筋樣品的失效分析結(jié)果，可以確定建筑結(jié)構(gòu)在地震載荷下的失效模式主要是高應(yīng)變低周疲勞失效[4]。

3.3 扭轉(zhuǎn)

比較現(xiàn)存的閱覽室和書庫與原先所在的位置會(huì)發(fā)現(xiàn)：前者挪向東南方向，后者飛向東北方向。雖然地震時(shí)建筑物承受的載荷具有瞬時(shí)性、交變性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，但從原先一體的館舍不同步的變形結(jié)果可以得出一個(gè)結(jié)論——地震波對(duì)建筑產(chǎn)生了一個(gè)巨大的扭轉(zhuǎn)破壞。

3.4 應(yīng)力集中

地震是一個(gè)突發(fā)性的能量釋放過程，其導(dǎo)致的建筑破壞首先產(chǎn)生于應(yīng)力集中的脆弱部位，比如建筑的端部及變形縫處。圖書館閱覽室東西方向長超過70 m，應(yīng)設(shè)兩道軸對(duì)稱的溫度變形縫，東側(cè)殘留的框架就是從變形縫處斷開的，端部應(yīng)力集中是東山墻倒塌的影響因素之一。應(yīng)力集中更加明顯的破壞發(fā)生在主體建筑與后排書庫之間，此處整齊的斷面正是兩者之間的沉降變形縫所在的位置。

4 現(xiàn)存結(jié)構(gòu)未毀的原因

1975年遼寧省海城發(fā)生了里氏7.3級(jí)的地震，受海城地震的啟示，正值施工時(shí)期的圖書館采取了一些簡單的抗震加固措施——在部分預(yù)制樓板上面做了70 mm厚的配筋整體現(xiàn)澆層，相當(dāng)于提高了局部的設(shè)防烈度。此外，在首層?xùn)|部辦公區(qū)分隔空間用的填充內(nèi)墻多少限制了結(jié)構(gòu)整體側(cè)移，外窗間裝飾用的柱子也起到加固框架結(jié)構(gòu)的作用，東部閱覽室的三跨框架之所以沒有倒塌正是基于以上原因。

書庫相對(duì)完整的原因之一是由于其按藏書承重設(shè)計(jì)的靜荷載，而地震時(shí)尚未藏書，沒有結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的那么大荷載，從而減小了地震時(shí)的破壞力。書庫部分雖然整體性能較好，但因?yàn)榈讓又訌?qiáng)度不夠，所以地震時(shí)書庫底層柱子全部以剪切破壞斷裂，這與2008年發(fā)生的汶川地震中大部分建筑受損情況相似。

5 結(jié)語

華北理工大學(xué)圖書館地震遺址已經(jīng)在原地靜靜佇立了40年，期間來參觀調(diào)研的人數(shù)超過百萬。不足的是遺址一直缺乏直觀的模型伴以專業(yè)知識(shí)的詮釋。經(jīng)過為期兩年的實(shí)地調(diào)研、測繪，收集廢墟的第一手資料，采集數(shù)據(jù)并對(duì)遺址場地的線索進(jìn)行挖掘，終于填補(bǔ)了這一空白。隨著2017年華北理工大學(xué)整體搬遷至90 km以外的曹妃甸新校園，地震遺址物是人非，此項(xiàng)研究也將為華北理工大學(xué)師生留下凝固的記憶。

[1] 陳冬梅，李亞君.圖書館地震遺址及其學(xué)術(shù)研究價(jià)值——兼及幾點(diǎn)啟示[J].農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊,2010，22(2):168-170.

[2] 于 山，蘇幼坡，劉天適，等.唐山大地震震后救援與恢復(fù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2003:8-9.

[3] 唐山工程技術(shù)學(xué)院地震工程研究中心.對(duì)河北礦冶學(xué)院圖書館震害遺跡的分析研究[D].唐山:河北省地震工程研究中心,1986.

[4] 詹蘇宇.微合金化與軋后余熱處理鋼筋的抗震性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2010:60-61.

Study on the restoration of earthquake site and its collapse of the library in North China University of Technology★

Jia Yuqi Ma Lihui Wei Liang

(North China University of Technology, Architectural Engineering Institute, Tangshan 063210, China)

Through the digital technology to simulate the library newly completed before the Tangshan earthquake in North China University of Technology, the solid building model is constructed. The original situation of the library before the collapse is reproduced by the “virtual-reality combination” way. Compared with the existing ruins, it attempts to restore the process of the collapse of the library under the impact of seismic waves.

library, site restoration, earthquake, analysis of collapse

1009-6825(2017)12-0032-02

2017-02-18★:2015年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201510081028)

賈宇淇(1994- )，女，在讀本科生； 馬麗慧(1980- )，女，講師； 韋 亮(1979- )，男，講師

TU242.3

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