四川汶川大地震中玻璃窗和玻璃幕墙抗震性能的初步分析

来源:中国建筑科学研究院　作者:赵西安　日期:2008-6-10 　页面功能【字体：大中小】【打印】【投稿】【评论】

　　提要: 2008年5月12日汶川8.0级大地震中建筑物遭受巨大损失，震害调查表明：玻璃固定窗破损与主体结构破坏具有明显的相关性。玻璃幕墙则基本完好，目前尚未发现幕墙受到震害的事例。
　　关键词: 玻璃窗、幕墙、震害调查、抗震设计

　　一、概述
　　1.1 固定窗和幕墙
　　固定窗和幕墙都是由面板和支承结构组成的维护结构系统。不同的是：固定窗通常是镶嵌在柱子或墙体平面内，在地震时必然与主体结构有相同的侧向位移；而幕墙的构造则使得幕墙与主体结构之间可以有微小的相对位移，或者使得幕墙本身具有较大的变形能力，可以忍受地震时主体结构所发生的侧向位移。
　　因此，在历次大地震中玻璃窗的破坏都比较普遍，安装在墙体严重开裂、破损或框架明显侧倾建筑中的固定窗往往窗框扭曲、玻璃破碎、飞散；而在相同状态建筑中的幕墙则震害很少，常常完好无损。
　　1976年唐山大地震的残存建筑中玻璃窗大多破损，多数只留下空的洞口。而1995年日本阪神大地震和1999年台湾集集大地震均有大量的玻璃窗震害的报告；虽然大阪、神户和台中、台南等城市有不少带有幕墙的建筑，但却没有见到关于震后尚存建筑中幕墙的震害报道。
　　这次四川汶川8.0级大地震中，汶川、北川、德阳、绵阳等经历了强震的城市，玻璃窗和玻璃幕墙的抗震性能表现出和历次大地震相同的规律性。

　　1.2侧向位移大小的估计
　　我们不可能实际量测到玻璃窗和玻璃幕墙在地震中的平面内侧移量。但是，通过观测玻璃窗和幕墙所在平面的结构损坏情况，是可以估计它们在地震时所经历过的最大水平位移值。
　　砖墙的破坏状况是最适用的衡量尺度。不仅因为砖墙应用最普遍，而且砖墙的破坏程度与其经受的水平位移有较好的对应性。多年来，进行过大量砌体结构的性能试验研究，对无筋砖砌体来说，其基本规律表现为：
水平位移角小于　1/800　　　　　　　砖墙完好无损；
　　　　　　　　1/800~1/500　　　　轻微裂缝；
　　　　　　　　1/500~1/300　　　　严重开裂；
　　　　　　　　1/300~1/150　　　　严重破坏、掉砖、局部倒塌；
　　　　　大于　1/150　　　　　　　倒塌。

　　二、固定窗在地震中的工作性能
　　在不同的尚存建筑物中，地震震害程度各不相同，相应地玻璃窗的表现也是各不相同的：
　　2.1 主体结构无震害的建筑物
　　主体结构完好，承重砖墙或填充砖墙没有产生可见的震害时，可以认为其水平侧移不大于1/800。这时玻璃窗一般不会有破损。
　　都江堰市的四川农大教学楼完好,相应其玻璃窗也是完好的。青川的地震烈度较高，中医医院病房楼中的病人要从窗口吊下自救，但砖墙无损，可判断受地震影响不大，玻璃窗还是完好的(图1)。
　　汶川虽然是震中，但少量保存完好的建筑相应其窗也完好。

图1 青川中医医院玻璃窗完好

图2 西安市高层建筑轻微受损

图3 汉旺东汽小学墙破损,玻璃尚好

图4 汉旺东汽厂房纵墙上玻璃完整2.2 主体结构有轻微裂缝的建筑物

　　承重砖墙、框架填充墙出现少量细裂缝，或者砖墙没有裂缝、仅仅是伸缩缝两侧发生轻微碰撞时，意味着水平位移在1/800~1/500层高范围内。这种受震情况下，固定窗一般还是没有震害，玻璃不会破碎。
　　陕西省受这次地震波及，西安市一些高层建筑的伸缩缝发生轻微碰撞，面砖掉下（图2），但是没有伤及玻璃窗。类似的情况在震中的汶川也可以看到。
　　图3和图4分别为位于汉旺的两座建筑，其中东汽小学外墙已出现明显的裂缝，面砖掉落，但玻璃窗没有受损。绵竹市汉旺镇的东方汽轮机厂是我国大型机械制造企业，这次受害严重，许多车间屋盖全部坠落，但厂房纵墙一般保存较好，显示平面内位移较小，采光窗基本完好。
　　汶川聚源中学教学楼彻底倒塌，但宿舍楼却震害较轻，玻璃窗也保持完好。

　　2.3 砖墙已严重开裂的建筑物
　　砖墙已出现大量粗裂缝,甚至很粗的交叉斜裂缝时,表明建筑物在地震中遭受反复水平运动,且位移已达1/300。这种情况下窗玻璃会大量破碎。

图5 墙破坏越严重,玻璃破损

图6 墙大交叉裂缝,窗框屈曲,玻璃也越严重飞散

　　汶川有些留存的建筑，虽然砖墙破碎，但可能是刚度较大，侧移小，玻璃留下较多。类似的例子是个别的，一般强震过后，残留建筑固定窗一般破坏都比较严重（图5、图6）。从图5我们还可以看到相邻两座建筑,其砖墙破坏程度不同,代表它们的侧向位移大小不同,玻璃窗的破损情况也大不相同。
　　2.4砖墙严重破坏的建筑和产生大侧移的框架结构建筑
　　当砖墙的侧向位移超过1/300层高时，会产生大的破坏、砖块掉落，甚至局部倒塌。这时窗框屈曲、外突，甚至甩出，玻璃基本上破碎、飞散，墙上往往只留下窗洞口。
汶川漩口中学教学楼为四层框架填充砖墙结构，地震中框架产生很大的侧移，框架柱倾斜，框架梁波浪形弯曲，填充砖墙出现交叉宽裂缝，有些甚至倒塌。玻璃窗破坏相当严重（图7）。
　　框架结构梁柱截面较小，地震中水平位移一般都比较大。图8为汶川两层框架结构房屋，在巨大的水平推力作用下，框架产生很大的倾斜，许多区格填充墙倒塌，玻璃窗飞出。
　　绵竹市汉旺镇东方汽轮机厂的一个框架，底层柱柱头破坏，框架变形很大，室内外的玻璃都几乎破碎。
　　当位移大于1/150时,砖砌体结构倒塌,玻璃窗也就随之消失了。
　　2.5 平面外位移产生的破坏
　　除了大量破损是由平面内的变形产生以外,也有一些破坏是由平面外的位移

图7映秀漩口中学框架大侧移，洞口变成平行四边形

图8 框架变形太大，玻璃窗飞散

　　产生的，青川中医医院病房楼的屋顶向外滑动，推玻璃窗向平面外变形，使顶层玻璃窗破碎飞散,而其他楼层的玻璃窗却完好无损 (图1)。
　　2.6 活动窗扇破坏程度较轻
　　平开窗窗扇在地震时往往处于开启状态,此时窗扇并不在墙的平面内,受墙体变形挤压很少,因而开启中的平开窗扇破损不多。
　　推拉窗扇是可以水平滑动的，即使在建筑变形很大时，它相对于窗框可以有一定程度的相对位移，实际变形要小于窗框，因而破损程度要小一些（图9、图10）。从图10可见，在墙体的挤压下窗框已成为平行四边形，但推拉窗扇仍保持矩形卡在窗框内，完好无损。

图9 绵阳，推拉窗保存较好

图10 窗口已成平行四边形，推拉扇保矩形，卡在窗框内

　　2.7 固定窗的变形耐受能力
　　从这次汶川大地震中玻璃窗的表现来看,固定窗是有可能耐受到层间位移角1/500而不会产生破损；即使个别工程可能有玻璃破裂，破损的数量也会是极少的。
　　之所以如此,是由于在施工安装时，一般是墙先留出门窗口，后安装门窗。窗框与洞口之间会有空隙，窗扇与窗框之间也留有空隙，它们都能吸收掉一些变形量，可以稍稍提高窗的耐受地震能力。

　　三、幕墙在汶川大地震中的表现
　　3.1 幕墙的变形性能
　　由于幕墙本身的构造特点,使得它能忍受大的平面内变形而不破损。许多工程所进行的幕墙平面内变形试验表明，符合规范设计要求的幕墙可以承受1/100层高的平面内水平位移而不破损，甚至还可以承受更大一些的位移。
　　我们曾进行过许多幕墙的振动台试验，采用了玻璃、石材、铝板以及陶板、微晶玻璃、石粉板等人造板作为面板。这些幕墙在台面加速度为0.7~0.9g（相当于烈度约为9~10度）时，位移角达到1/70~1/50，还能保持完好，无任何破损。这些试验结果说明幕墙具有比固定窗大得多的平面内变形能力，可以在较高烈度的地震中免受震害。
　　3.2汶川地震中幕墙的性能
　　到目前为止,我们尚未收到震中地区未倒塌房屋上幕墙发生震害的报告，这与1995年阪神大地震和1999年台湾大地震的情况类似。
　　原因是很清楚的，幕墙达到其可耐受的平面内位移角极限1/70~1/50时，绝大多数主体结构已经倒塌。因此可以说，只要房子不倒，幕墙是不会破坏的，至多个别情况下有一些轻微的损伤。
　　据报道,在受灾最严重的北川，一片废墟之中，刘汉希望小学依然屹立，长十余米、三层楼高的玻璃幕墙居然连一块玻璃都没有破损。这不能不认为是玻璃幕墙的一个奇迹。

　　图11~图14是一些位于震中地区的建筑,从它们的幕墙能保持完好的事例来看，上述关于幕墙有较好耐震性能的观点是可以令人信服的。

图11 汶川，幕墙完好无损

图12 绵阳临园百货商场幕墙完好

　　3.3玻璃幕墙耐受地震性能和其他建筑部件的比较
如果在一座建筑物中同时有玻璃幕墙和其他建筑部件,又经受同样地震，那末幕墙和其他部件的耐震性能就有可比性了。由图13、图15、图16这些例子可见，砖墙、固定窗、面砖已经发生明显震害时，同一建筑的幕墙却完好无损。

图13 成都东软,砖墙破损,幕墙完好

图14成都震后玻璃幕墙完好如初

图15 汶川,砖墙和面砖都破碎, 玻璃幕墙安然无恙

图16 汶川,砖墙大裂缝,玻璃幕墙保存完好

　　四、小结
　　从目前初步了解的情况来看，固定窗的耐震能力与玻璃幕墙相比是有较大差别的。
强震区没倒塌建筑中的固定窗，玻璃的破损程度相差悬殊，取决于主体结构侧向位移的大小。平面内侧向位移角不大于1/500时，窗玻璃可望保持完好；位移角大于1/300时，破坏就非常严重了。
玻璃幕墙的位移耐受性能远大于固定窗。地震中只要主体结构尚未倒塌，幕墙一般都能保持完好。这次汶川地震中玻璃幕墙的表现就充分反映了这一规律。我们有理由相信，只要我们按照规范的要求，认真设计，认真施工，就可以使幕墙达到小震完好，中震可修，大震不掉的要求的。

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