追忆512!汶川地震中门窗和幕墙抗震性能分析提要: 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。 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。 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 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)。 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 三、幕墙在汶川大地震中的表现 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 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。 作者:赵西安
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