趙 西 安
( 中國(guó)建筑科學(xué)研究院 北京 100013 )
提 要 2010年4月14日玉樹7.1級(jí)大地震中建筑物遭受巨大損失，震害調(diào)查表明：玻璃固定窗破損與主體結(jié)構(gòu)破壞具有明顯的相關(guān)性。玻璃幕墻則基本完好，目前尚未發(fā)現(xiàn)幕墻受到嚴(yán)重震害的事例。
關(guān) 鍵 詞 玻璃窗 幕墻 震害調(diào)查 抗震設(shè)計(jì)
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(wú)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(wú)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(wú)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)到玻璃窗和玻璃幕墻在地震中的平面內(nèi)側(cè)移量。但是，通過(guò)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(guò)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(lái)，進(jìn)行過(guò)大量砌體結(jié)構(gòu)的性能試驗(yàn)研究，對(duì)無(wú)筋磚砌
趙西安，1940.7出生，廣東新會(huì)人，中國(guó)建筑科學(xué)研究院，研究員,100013-，北京
體來(lái)說(shuō)，其基本規(guī)律表現(xiàn)為：
水平位移角小于 1/800 磚墻完好無(wú)損；
1/800~1/500 輕微裂縫；
1/500~1/300 嚴(yán)重開裂；
1/300~1/150 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(lái)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(wú)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(wú)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8 墻有細(xì)裂縫，凸窗無(wú)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）。
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(guò)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(guò)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。
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(wú)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(lái)看,固定窗是有可能耐受到層間位移角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(guò)許多幕墻的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，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(tái)面加速度為0.7~0.9g（相當(dāng)于烈度約為9~10度）時(shí)，位移角達(dá)到1/70~1/50，還能保持完好，無(wú)任何破損。這些試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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1/70~1/50時(shí)，絕大多數(shù)主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)倒塌。因此可以說(shuō)，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(lái)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(wú)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32 透過(guò)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)向位移的大小。平面內(nèi)側(cè)向位移角不大于1/500時(shí)，窗玻璃可望保持完好；位移角大于1/300時(shí)，破壞就非常嚴(yán)重了。
玻璃幕墻的位移耐受性能遠(yuǎn)大于固定窗。地震中只要主體結(jié)構(gòu)尚未倒塌，幕墻一般都能保持完好。這次玉樹地震中玻璃幕墻的表現(xiàn)就充分反映了這一規(guī)律。我們有理由相信，只要我們按照規(guī)范的要求，認(rèn)真設(shè)計(jì)，認(rèn)真施工，就可以使幕墻達(dá)到小震完好，中震可修，大震不掉的要求的。
本文由門窗幕墻英才網(wǎng)整理添加
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