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川震中玻璃窗和玻璃幕墻抗震性能初析
來源:中國門窗＆配套材料網(wǎng)收集整理 作者:* 日期:2008-6-16
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| 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(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)幕墻受到震害的事例。
一、概 述
1.1 固定窗和幕墻
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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(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)幕墻受到震害的事例。
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(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，經(jīng)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(guān)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(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。
1.2側(cè)向位移大小的估計
我們不可能實(shí)際量測到玻璃窗和玻璃幕墻在地震中的平面內(nèi)側(cè)移量。但是，通過觀測玻璃窗和幕墻所在平面的結(jié)構(gòu)損壞情況，是可以估計它們在地震時所經(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。不僅因?yàn)榇u墻應(yīng)用最普遍，而且磚墻的破壞程度與其經(jīng)受的水平位移有較好的對應(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；
1/800~1/500 稍微裂縫；
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。
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，可以認(rèn)為其水平側(cè)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(nóng)大教學(xué)樓完好,相應(yīng)其玻璃窗也是完好的。青川的地震烈度較高，中醫(yī)醫(yī)院病房樓中的病人要從窗口吊下自救，但磚墻無損，可判定受地震影響不大，玻璃窗還是完好的。
汶川雖然是震中，但少量保存完好的建筑相應(yīng)其窗也完好。
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)生稍微碰撞時，意味著水平位移在1/800~1/500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(fā)生稍微碰撞，面磚掉下，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。
汶川聚源中學(xué)教學(xué)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(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,表明建筑物在地震中遭受反復(fù)水平運(yùn)動,且位移已達(dá)1/300。這種情況下窗玻璃會大量破碎。
汶川有些留存的建筑，雖然磚墻破碎，但可能是剛度較大，側(cè)移小，玻璃留下較多。類似的例子是個別的，一般強(qiáng)震過后，殘留建筑固定窗一般破壞都比較嚴(yán)重。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(cè)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(yán)重破壞的建筑和產(chǎn)生大側(cè)移的框架結(jié)構(gòu)建筑
當(dāng)磚墻的側(cè)向位移超過1/300層高時，會產(chǎn)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(xué)教學(xué)樓為四層框架填充磚墻結(jié)構(gòu)，地震中框架產(chǎn)生很大的側(cè)移，框架柱傾斜，框架梁波浪形彎曲，填充磚墻出現(xiàn)交叉寬裂縫，有些甚至倒塌。玻璃窗破壞相當(dāng)嚴(yán)重。
框架結(jié)構(gòu)梁柱截面較小，地震中水平位移一般都比較大。
綿竹市漢旺鎮(zhèn)東方汽輪機(jī)廠的一個框架，底層柱柱頭破壞，框架變形很大，室內(nèi)外的玻璃都幾乎破碎。
當(dāng)位移大于1/150時,磚砌體結(jié)構(gòu)倒塌,玻璃窗也就隨之消失了。
2.5 平面外位移產(chǎn)生的破壞
除了大量破損是由平面內(nèi)的變形產(chǎn)生以外,也有一些破壞是由平面外的位移
產(chǎn)生的，青川中醫(yī)醫(yī)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 。
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(tài),此時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(shí)際變形要小于窗框，因而破損程度要小一些。
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(xiàn)來看,固定窗是有可能耐受到層間位移角1/500而不會產(chǎn)生破損；即使個別工程可能有玻璃破裂，破損的數(shù)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(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。
我們曾進(jìn)行過許多幕墻的振動臺試驗(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。這些幕墻在臺面加速度為0.7~0.9g（相當(dāng)于烈度約為9~10度）時，位移角達(dá)到1/70~1/50，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(qū)未倒塌房屋上幕墻發(fā)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(dá)到其可耐受的平面內(nèi)位移角極限1/70~1/50時，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，幕墻是不會破壞的，至多個別情況下有一些稍微的損傷。
據(jù)報道,在受災(zāi)最嚴(yán)重的北川，一片廢墟之中，劉漢希望小學(xué)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(rèn)為是玻璃幕墻的一個奇跡。
3.3玻璃幕墻耐受地震性能和其他建筑部件的比較
假如在一座建筑物中同時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。磚墻、固定窗、面磚已經(jīng)發(fā)生明顯震害時，同一建筑的幕墻卻完好無損。
四、 小 結(jié)
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(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，窗玻璃可望保持完好；位移角大于1/300時，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。這次汶川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，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。
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