四川汶川大地震中玻璃窗和玻璃幕墻抗震性能的初步分析

來源:中國建筑科學研究院　作者:趙西安　日期:2008-6-10 　頁面功能【字體：大中小】【打印】【投稿】【評論】

　　提要: 2008年5月12日汶川8.0級大地震中建筑物遭受巨大損失，震害調查表明：玻璃固定窗破損與主體結構破壞具有明顯的相關性。玻璃幕墻則基本完好，目前尚未發現幕墻受到震害的事例。
　　關鍵詞: 玻璃窗、幕墻、震害調查、抗震設計

　　一、概述
　　1.1 固定窗和幕墻
　　固定窗和幕墻都是由面板和支承結構組成的維護結構系統。不同的是：固定窗通常是鑲嵌在柱子或墻體平面內，在地震時必然與主體結構有相同的側向位移；而幕墻的構造則使得幕墻與主體結構之間可以有微小的相對位移，或者使得幕墻本身具有較大的變形能力，可以忍受地震時主體結構所發生的側向位移。
　　因此，在歷次大地震中玻璃窗的破壞都比較普遍，安裝在墻體嚴重開裂、破損或框架明顯側傾建筑中的固定窗往往窗框扭曲、玻璃破碎、飛散；而在相同狀態建筑中的幕墻則震害很少，常常完好無損。
　　1976年唐山大地震的殘存建筑中玻璃窗大多破損，多數只留下空的洞口。而1995年日本阪神大地震和1999年臺灣集集大地震均有大量的玻璃窗震害的報告；雖然大阪、神戶和臺中、臺南等城市有不少帶有幕墻的建筑，但卻沒有見到關于震后尚存建筑中幕墻的震害報道。
　　這次四川汶川8.0級大地震中，汶川、北川、德陽、綿陽等經歷了強震的城市，玻璃窗和玻璃幕墻的抗震性能表現出和歷次大地震相同的規律性。

　　1.2側向位移大小的估計
　　我們不可能實際量測到玻璃窗和玻璃幕墻在地震中的平面內側移量。但是，通過觀測玻璃窗和幕墻所在平面的結構損壞情況，是可以估計它們在地震時所經歷過的最大水平位移值。
　　磚墻的破壞狀況是最適用的衡量尺度。不僅因為磚墻應用最普遍，而且磚墻的破壞程度與其經受的水平位移有較好的對應性。多年來，進行過大量砌體結構的性能試驗研究，對無筋磚砌體來說，其基本規律表現為：
水平位移角小于　1/800　　　　　　　磚墻完好無損；
　　　　　　　　1/800~1/500　　　　輕微裂縫；
　　　　　　　　1/500~1/300　　　　嚴重開裂；
　　　　　　　　1/300~1/150　　　　嚴重破壞、掉磚、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，相應地玻璃窗的表現也是各不相同的：
　　2.1 主體結構無震害的建筑物
　　主體結構完好，承重磚墻或填充磚墻沒有產生可見的震害時，可以認為其水平側移不大于1/800。這時玻璃窗一般不會有破損。
　　都江堰市的四川農大教學樓完好,相應其玻璃窗也是完好的。青川的地震烈度較高，中醫醫院病房樓中的病人要從窗口吊下自救，但磚墻無損，可判斷受地震影響不大，玻璃窗還是完好的(圖1)。
　　汶川雖然是震中，但少量保存完好的建筑相應其窗也完好。

圖1 青川中醫醫院玻璃窗完好

圖2 西安市高層建筑輕微受損

圖3 漢旺東汽小學墻破損,玻璃尚好

圖4 漢旺東汽廠房縱墻上玻璃完整2.2 主體結構有輕微裂縫的建筑物

　　承重磚墻、框架填充墻出現少量細裂縫，或者磚墻沒有裂縫、僅僅是伸縮縫兩側發生輕微碰撞時，意味著水平位移在1/800~1/500層高范圍內。這種受震情況下，固定窗一般還是沒有震害，玻璃不會破碎。
　　陜西省受這次地震波及，西安市一些高層建筑的伸縮縫發生輕微碰撞，面磚掉下（圖2），但是沒有傷及玻璃窗。類似的情況在震中的汶川也可以看到。
　　圖3和圖4分別為位于漢旺的兩座建筑，其中東汽小學外墻已出現明顯的裂縫，面磚掉落，但玻璃窗沒有受損。綿竹市漢旺鎮的東方汽輪機廠是我國大型機械制造企業，這次受害嚴重，許多車間屋蓋全部墜落，但廠房縱墻一般保存較好，顯示平面內位移較小，采光窗基本完好。
　　汶川聚源中學教學樓徹底倒塌，但宿舍樓卻震害較輕，玻璃窗也保持完好。

　　2.3 磚墻已嚴重開裂的建筑物
　　磚墻已出現大量粗裂縫,甚至很粗的交叉斜裂縫時,表明建筑物在地震中遭受反復水平運動,且位移已達1/300。這種情況下窗玻璃會大量破碎。

圖5 墻破壞越嚴重,玻璃破損

圖6 墻大交叉裂縫,窗框屈曲,玻璃也越嚴重飛散

　　汶川有些留存的建筑，雖然磚墻破碎，但可能是剛度較大，側移小，玻璃留下較多。類似的例子是個別的，一般強震過后，殘留建筑固定窗一般破壞都比較嚴重（圖5、圖6）。從圖5我們還可以看到相鄰兩座建筑,其磚墻破壞程度不同,代表它們的側向位移大小不同,玻璃窗的破損情況也大不相同。
　　2.4磚墻嚴重破壞的建筑和產生大側移的框架結構建筑
　　當磚墻的側向位移超過1/300層高時，會產生大的破壞、磚塊掉落，甚至局部倒塌。這時窗框屈曲、外突，甚至甩出，玻璃基本上破碎、飛散，墻上往往只留下窗洞口。
汶川漩口中學教學樓為四層框架填充磚墻結構，地震中框架產生很大的側移，框架柱傾斜，框架梁波浪形彎曲，填充磚墻出現交叉寬裂縫，有些甚至倒塌。玻璃窗破壞相當嚴重（圖7）。
　　框架結構梁柱截面較小，地震中水平位移一般都比較大。圖8為汶川兩層框架結構房屋，在巨大的水平推力作用下，框架產生很大的傾斜，許多區格填充墻倒塌，玻璃窗飛出。
　　綿竹市漢旺鎮東方汽輪機廠的一個框架，底層柱柱頭破壞，框架變形很大，室內外的玻璃都幾乎破碎。
　　當位移大于1/150時,磚砌體結構倒塌,玻璃窗也就隨之消失了。
　　2.5 平面外位移產生的破壞
　　除了大量破損是由平面內的變形產生以外,也有一些破壞是由平面外的位移

圖7映秀漩口中學框架大側移，洞口變成平行四邊形

圖8 框架變形太大，玻璃窗飛散

　　產生的，青川中醫醫院病房樓的屋頂向外滑動，推玻璃窗向平面外變形，使頂層玻璃窗破碎飛散,而其他樓層的玻璃窗卻完好無損 (圖1)。
　　2.6 活動窗扇破壞程度較輕
　　平開窗窗扇在地震時往往處于開啟狀態,此時窗扇并不在墻的平面內,受墻體變形擠壓很少,因而開啟中的平開窗扇破損不多。
　　推拉窗扇是可以水平滑動的，即使在建筑變形很大時，它相對于窗框可以有一定程度的相對位移，實際變形要小于窗框，因而破損程度要小一些（圖9、圖10）。從圖10可見，在墻體的擠壓下窗框已成為平行四邊形，但推拉窗扇仍保持矩形卡在窗框內，完好無損。

圖9 綿陽，推拉窗保存較好

圖10 窗口已成平行四邊形，推拉扇保矩形，卡在窗框內

　　2.7 固定窗的變形耐受能力
　　從這次汶川大地震中玻璃窗的表現來看,固定窗是有可能耐受到層間位移角1/500而不會產生破損；即使個別工程可能有玻璃破裂，破損的數量也會是極少的。
　　之所以如此,是由于在施工安裝時，一般是墻先留出門窗口，后安裝門窗。窗框與洞口之間會有空隙，窗扇與窗框之間也留有空隙，它們都能吸收掉一些變形量，可以稍稍提高窗的耐受地震能力。

　　三、幕墻在汶川大地震中的表現
　　3.1 幕墻的變形性能
　　由于幕墻本身的構造特點,使得它能忍受大的平面內變形而不破損。許多工程所進行的幕墻平面內變形試驗表明，符合規范設計要求的幕墻可以承受1/100層高的平面內水平位移而不破損，甚至還可以承受更大一些的位移。
　　我們曾進行過許多幕墻的振動臺試驗，采用了玻璃、石材、鋁板以及陶板、微晶玻璃、石粉板等人造板作為面板。這些幕墻在臺面加速度為0.7~0.9g（相當于烈度約為9~10度）時，位移角達到1/70~1/50，還能保持完好，無任何破損。這些試驗結果說明幕墻具有比固定窗大得多的平面內變形能力，可以在較高烈度的地震中免受震害。
　　3.2汶川地震中幕墻的性能
　　到目前為止,我們尚未收到震中地區未倒塌房屋上幕墻發生震害的報告，這與1995年阪神大地震和1999年臺灣大地震的情況類似。
　　原因是很清楚的，幕墻達到其可耐受的平面內位移角極限1/70~1/50時，絕大多數主體結構已經倒塌。因此可以說，只要房子不倒，幕墻是不會破壞的，至多個別情況下有一些輕微的損傷。
　　據報道,在受災最嚴重的北川，一片廢墟之中，劉漢希望小學依然屹立，長十余米、三層樓高的玻璃幕墻居然連一塊玻璃都沒有破損。這不能不認為是玻璃幕墻的一個奇跡。

　　圖11~圖14是一些位于震中地區的建筑,從它們的幕墻能保持完好的事例來看，上述關于幕墻有較好耐震性能的觀點是可以令人信服的。

圖11 汶川，幕墻完好無損

圖12 綿陽臨園百貨商場幕墻完好

　　3.3玻璃幕墻耐受地震性能和其他建筑部件的比較
如果在一座建筑物中同時有玻璃幕墻和其他建筑部件,又經受同樣地震，那末幕墻和其他部件的耐震性能就有可比性了。由圖13、圖15、圖16這些例子可見，磚墻、固定窗、面磚已經發生明顯震害時，同一建筑的幕墻卻完好無損。

圖13 成都東軟,磚墻破損,幕墻完好

圖14成都震后玻璃幕墻完好如初

圖15 汶川,磚墻和面磚都破碎, 玻璃幕墻安然無恙

圖16 汶川,磚墻大裂縫,玻璃幕墻保存完好

　　四、小結
　　從目前初步了解的情況來看，固定窗的耐震能力與玻璃幕墻相比是有較大差別的。
強震區沒倒塌建筑中的固定窗，玻璃的破損程度相差懸殊，取決于主體結構側向位移的大小。平面內側向位移角不大于1/500時，窗玻璃可望保持完好；位移角大于1/300時，破壞就非常嚴重了。
玻璃幕墻的位移耐受性能遠大于固定窗。地震中只要主體結構尚未倒塌，幕墻一般都能保持完好。這次汶川地震中玻璃幕墻的表現就充分反映了這一規律。我們有理由相信，只要我們按照規范的要求，認真設計，認真施工，就可以使幕墻達到小震完好，中震可修，大震不掉的要求的。

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