青海玉樹地震中的玻璃窗和玻璃幕墻趙西安

1、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(jié)構(gòu)組成的維護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。不同的是：固定窗通常是鑲嵌在柱子或墻體平面內(nèi)，在地震時(shí)必然與主體結(jié)構(gòu)有相同的側(cè)向位移；而幕墻的構(gòu)造則使得幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間可以有微小的相對(duì)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(shí)主體結(jié)構(gòu)所發(fā)生的側(cè)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(yán)重開裂、破損或框架明顯側(cè)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(tài)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(shù)只留下空的洞口。而1995年日本阪神大地震和1999年臺(tái)灣集集大地震均有

2、大量的玻璃窗震害的報(bào)告；雖然大阪、神戶和臺(tái)中、臺(tái)南等城市有不少帶有幕墻的建筑，但卻沒有見到關(guān)于震后尚存建筑中幕墻的震害報(bào)道。2008年四川汶川8.0級(jí)大地震中，汶川、北川、德陽(yáng)、綿陽(yáng)等經(jīng)歷了強(qiáng)震的城市，玻璃窗和玻璃幕墻的抗震性能表現(xiàn)出和歷次大地震相同的規(guī)律性。2010年4月14日，青海玉樹發(fā)生了7.1級(jí)大地震，震中烈度達(dá)8度強(qiáng)。無抗震設(shè)防的民居大量倒塌；按7.5度（0.15g）抗震設(shè)防的正規(guī)建筑震害較輕，玻璃窗大量保存，玻璃幕墻基本上無損壞，可以對(duì)其抗震性能作出分析。 1.2 側(cè)向位移大小的估計(jì)正如作者在2008年發(fā)表的汶川大地震中的玻璃窗和玻璃幕墻一文中所指出：我們不可能實(shí)際量測(cè)到玻璃窗和玻

3、璃幕墻在地震中的平面內(nèi)側(cè)移量。但是，通過觀測(cè)玻璃窗和幕墻所在平面的結(jié)構(gòu)損壞情況，是可以估計(jì)它們?cè)诘卣饡r(shí)所經(jīng)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。磚墻的破壞程度與其經(jīng)受的水平位移有較好的對(duì)應(yīng)性。多年來，進(jìn)行過大量砌體結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)研究，對(duì)無筋磚砌體來說，其基本規(guī)律表現(xiàn)為：水平位移角小于1/800磚墻完好無損；1/8001/500輕微裂縫；1/5001/300嚴(yán)重開裂；1/3001/150嚴(yán)重破壞、掉磚、局部倒塌；大于1/150倒塌。 因此,我們可以參照窗和幕墻所在平面內(nèi)磚墻的破壞程度來估計(jì)這一平面的水平側(cè)移,從而判定窗和幕墻在這種位移下的工作性能。圖1 窗的狀態(tài)取決于主體結(jié)構(gòu)的

4、狀態(tài)圖1為震中的一座藏族民居。從圖1可見，窗的破損情況與墻等主體結(jié)構(gòu)的震害相關(guān)。當(dāng)墻體無損害或損壞輕微時(shí)，窗框形狀保持不變，玻璃不會(huì)破碎（圖1的中、右窗）；當(dāng)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，墻體破裂、倒塌時(shí)，窗框也嚴(yán)重變形，甚至破斷，玻璃就會(huì)破碎（圖1中的左窗）。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(yīng)地玻璃窗的表現(xiàn)也是各不相同的：2.1 主體結(jié)構(gòu)無震害的建筑物主體結(jié)構(gòu)完好，承重磚墻或填充磚墻沒有產(chǎn)生可見的震害時(shí)，可以認(rèn)為其水平側(cè)移不大于1/800。這時(shí)玻璃窗一般不會(huì)有破損（圖2圖5）。 圖2 大門倒了,樓未損,窗完好 圖3 辦公樓的推拉窗無破損圖4 平開窗和凸窗都完好

5、無損 圖5 五層建筑完好,窗無損害2.2主體結(jié)構(gòu)有輕微裂縫的建筑物承重磚墻、框架填充墻出現(xiàn)少量細(xì)裂縫，或者磚墻沒有裂縫、僅僅是伸縮縫兩側(cè)發(fā)生輕微碰撞時(shí)，意味著水平位移在1/8001/500層高范圍內(nèi)。這種受震情況下，固定窗一般還是沒有震害，玻璃不會(huì)破碎（圖6圖8）。圖6 藏族民居二層墻微裂，窗完好圖7 可可西里飯店窗未破損圖8 墻有細(xì)裂縫，凸窗無震害2.3 磚墻已嚴(yán)重開裂的建筑物磚墻已出現(xiàn)大量粗裂縫,甚至很粗的交叉斜裂縫時(shí),表明建筑物在地震中遭受反復(fù)水平運(yùn)動(dòng),且位移已達(dá)1/300。這種情況下窗玻璃會(huì)大量破碎（圖9圖11）。圖9 政府辦公樓玻璃破碎圖9 政府辦公樓玻璃破碎圖10 玉樹汽車站墻大交

6、叉裂縫圖11 墻破損，部分玻璃掉下圖12 雖然墻破壞嚴(yán)重，但推拉窗活動(dòng)余地大，破損少有些留存的建筑，雖然磚墻破碎，但推拉窗破損不多，這可能是結(jié)構(gòu)剛度較大，側(cè)移小，加上用推拉窗，活動(dòng)余量大，玻璃破損不多。類似的例子只是個(gè)別的，一般強(qiáng)震過后，殘留建筑固定窗一般破壞都比較嚴(yán)重（圖12）。2.4 磚墻嚴(yán)重破壞的建筑和產(chǎn)生大側(cè)移建筑當(dāng)磚墻的側(cè)向位移超過1/300層高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的破壞、磚塊掉落，甚至局部倒塌。這時(shí)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。當(dāng)位移大于1/150時(shí),磚砌體結(jié)構(gòu)倒塌,玻璃窗也就隨之消失了。圖13 玉樹孤兒學(xué)校玻璃全部飛散圖14 墻和玻璃窗破壞嚴(yán)重圖1

7、5 一層玻璃破碎飛散圖16 二層墻倒窗掉落，三層窗破壞圖17 玉樹民族學(xué)校宿舍墻倒塌圖18 窗洞變成平行四邊形，推拉窗活窗也就沒有了動(dòng)扇還保持矩形2.5 活動(dòng)窗扇破壞程度較輕平開窗窗扇在地震時(shí)往往處于開啟狀態(tài),此時(shí)窗扇并不在墻的平面內(nèi),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(dòng)的，即使在建筑變形很大時(shí)，它相對(duì)于窗框可以有一定程度的相對(duì)位移，實(shí)際變形要小于窗框，因而破損程度要小一些（圖12）。從圖18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(nèi)，完好無損。2.6 固定窗的變形耐受能力從這次玉樹大地震中玻璃窗的表現(xiàn)來看,固定窗是有可能耐受到

8、層間位移角1/500而不會(huì)產(chǎn)生破損；即使個(gè)別工程可能有玻璃破裂，破損的數(shù)量也會(huì)是極少的。之所以如此,是由于在施工安裝時(shí)，一般是墻先留出門窗口，后安裝門窗。窗框與洞口之間會(huì)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。這個(gè)情況和2008年汶川大地震的情況是相同的。三、幕墻在玉樹地震中的表現(xiàn) 3.1 幕墻的變形性能由于幕墻本身的構(gòu)造特點(diǎn),使得它能忍受大的平面內(nèi)變形而不破損。許多工程所進(jìn)行的幕墻平面內(nèi)變形試驗(yàn)表明，符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求的幕墻可以承受1/100層高的平面內(nèi)水平位移而不破損，甚至還可以承受更大一些的位移。我們?cè)M(jìn)行過許多幕墻的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，采用了玻璃

9、、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(tái)面加速度為0.70.9g（相當(dāng)于烈度約為910度）時(shí)，位移角達(dá)到1/701/50，還能保持完好，無任何破損。這些試驗(yàn)結(jié)果說明幕墻具有比固定窗大得多的平面內(nèi)變形能力，可以在較高烈度的地震中免受震害。3.2 玉樹地震中幕墻的性能到目前為止,我們尚未收到震中地區(qū)未倒塌房屋上幕墻發(fā)生震害的報(bào)告，這與1995年阪神大地震、1999年臺(tái)灣大地震和2008年汶川大地震的情況類似。原因是很清楚的，幕墻達(dá)到其可耐受的平面內(nèi)位移角極限1/701/50時(shí)，絕大多數(shù)主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)倒塌。因此可以說，只要房子不倒，幕墻是不會(huì)破壞的，至多個(gè)別情況下有一些輕微

10、的損傷。圖19圖25是一些位于震中地區(qū)玉樹的建筑,從它們的幕墻能保持完好的事例來看，上述關(guān)于幕墻有較好耐震性能的觀點(diǎn)是可以令人信服的。圖19 隱框玻璃幕墻基本完好圖20 整片幕墻只碎了一塊玻璃圖21 玉樹州藏醫(yī)院隱框玻璃幕墻圖22 墻倒了，明框幕墻還沒碎玻璃圖23 隱框幕墻完好無損圖23 隱框幕墻完好無損圖24 明框幕墻也沒受到震害圖25 結(jié)構(gòu)倒塌了，幕墻還在堅(jiān)持圖26 磚墻碎，面磚掉，幕墻完好圖27 左面濕貼石板破，右面窗玻璃破，中間隱框幕墻完好3.3 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(shí)有玻璃幕墻和其他建筑部件,又經(jīng)受同樣地震，那末幕墻和其他部件的耐震性能就有可比性

11、了。由圖26、圖27這些例子可見，磚墻、固定窗、面磚已經(jīng)發(fā)生明顯震害時(shí)，同一建筑的幕墻卻完好無損。3.4 英雄的建筑玉樹巴塘機(jī)場(chǎng)玉樹遠(yuǎn)離青藏鐵路，公路只有一條214國(guó)道，航空運(yùn)輸在抗震救災(zāi)中成為生命線。2009年才建成，2010年初剛剛開航的玉樹機(jī)場(chǎng)成為英雄建筑。玉樹機(jī)場(chǎng)航站樓剛建成就經(jīng)歷了大地震的考驗(yàn)。鋼結(jié)構(gòu)屋架完好，明框玻璃幕墻和鋁板屋面沒受到損壞，這為震后第一時(shí)間通航提供了保證。從玉樹機(jī)場(chǎng)大樓巋然不動(dòng)的英雄身影中，我們深深感受到鋼結(jié)構(gòu)和建筑幕墻優(yōu)異的抗震性能（圖28圖30）。圖28 玉樹巴塘機(jī)場(chǎng)圖28 玉樹巴塘機(jī)場(chǎng)圖29 鋼屋架，鋁板屋面，玻璃幕墻圖30 機(jī)場(chǎng)大樓安全，生命線暢通無阻 圖31 幕墻完好無損，救援迅速到達(dá)圖32 透過幕墻玻璃，看到光明，看到希望四、小結(jié)這次玉樹地震和2008年汶川地震一樣，震害情況表明，固定窗的耐震能力與玻璃幕墻相比是有較大差別的。強(qiáng)震區(qū)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(jié)構(gòu)側(cè)向