玻璃窗和玻璃幕墙抗震性能分析

在5月12日汶川发生的8.0级大地震中,建筑物损失巨大。地震灾害调查表明，玻璃固定窗破损与主体结构破坏具有明显的相关性。地震中只要主体结构尚未倒塌,玻璃幕墙则基本完好，目前尚未发现幕墙受到震害的事例。

    一、概述

    1.1固定窗和幕墙

    固定窗和幕墙都是由面板和支撑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

    我们不可能实际测量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倒塌因此,我们可以参照窗和幕墙所在平面内砖墙的破坏程度来估计这一平面的水平侧移,从而判定窗和幕墙在这种位移下的工作性能。

    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，相应的玻璃窗的表现也是各不相同。

    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，玻璃窗也是完好的。

    汶川虽然是震中，但少量保存完好的建筑相应其窗也完好。

    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。陕西省受这次地震波及西安市的一些高层建筑的伸缩缝发生轻微碰撞，面砖掉下，但是没有伤及玻璃窗。类似的情况在震中的汶川也可以看到。

    分别位于汉旺的两座建筑，其中东汽小学外墙已出现明显的裂缝，面砖掉落，但玻璃窗没有受损。绵竹市汉旺镇的东方汽轮机厂是我国大型机械制造企业，这次受害严重，许多车间屋盖全部坠落，但厂房纵墙一般保存较好，显示平面内位移较小，采光窗基本完好。汶川聚源中学教学楼彻底倒塌，但宿舍楼却震害较轻，玻璃窗也保持完好。

    2.3砖墙已严重开裂的建筑物

    砖墙已出现大量粗裂缝,甚至很粗的交叉斜裂缝时,表明建筑物在地震中遭受反复水平运动,且位移已达1/300。这种情况下窗玻璃会大量破碎。

    2.4砖墙严重破坏的建筑和产生大侧移的框架结构建筑

    当砖墙的侧向位移超过1/300时，会产生大的破坏、砖块掉落，甚至局部倒塌。这时窗框屈曲、外凸，甚至甩出，玻璃基本上破碎飞散，墙上往往只留下窗洞口。

    框架结构梁柱截面较小，地震中水平位移一般都比较大。绵竹市汉旺镇东方汽轮机厂的一个框架，底层柱柱头破坏，框架变形很大，室内外的玻璃都几乎破碎。当位移大于1/150时,砖砌体结构倒塌,玻璃窗也就随之消失了。

    2.5平面外位移产生的破坏

    除了大量破损是由平面内的变形产生以外,也有一些破坏是由平面外的位移产生的，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。

    2.6活动窗扇破坏程度较轻

    平开窗窗扇在地震时往往处于开启状态,此时窗扇并不在墙的平面内,受墙体变形挤压很少,因而开启中的平开窗扇破损不多。

    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。

    2.7固定窗的变形耐受能力

    从这次汶川大地震中玻璃窗的表现来看,固定窗是有可能耐受到层间位移角1/500而不会产生破损；即使个别工程可能有玻璃破裂，破损的数量也会是极少量。

    之所以如此，是由于在施工安装时，一般是墙先留出门窗口，后安装门窗。窗框与洞口之间会有空隙，窗扇与窗框之间也留有空隙，它们都能吸收掉一些变形量，可以稍稍提高窗的耐受地震能力。

    三、幕墙在汶川大地震中的表现

    3.1幕墙的变形性能

    由于幕墙本身的构造特点,使得它能忍受大的平面内变形而不破损。许多工程所进行的幕墙平面内变形试验表明，符合规范设计要求的幕墙可以承受1/100层高的平面内水平位移而不破损，甚至还可以承受更大一些的位移。

    我们曾进行过许多幕墙的振动台试验，采用了玻璃、石材、铝板以及陶板、微晶玻璃、石粉板等人造板作为面板。这些幕墙在台面加速度为0.7～0.9（相当于烈度约为9～10度）时，位移角达到1/70～1/50，还能保持完好，无任何破损。这些试验结果说明幕墙具有比固定窗大得多的平面内变形能力，可以在较高烈度的地震中免受震害。

    3.2汶川地震中幕墙的性能

    到目前为止,我们尚未收到震中地区未倒塌房屋上幕墙发生震害的报告，这与1995年阪神大地震和1999年台湾大地震的情况类似。

    原因是很清楚的，幕墙达到其可耐受的平面内位移角极限1/70～1/50时，绝大多数主体结构已经倒塌。因此可以说，只要房子不倒，幕墙是不会破坏的，至多个别情况下有一些轻微的损伤。

    据报道,在受灾最严重的北川，一片废墟之中，刘汉希望小学依然屹立，长十余米、三层楼高的玻璃幕墙居然连一块玻璃都没有破损。这不能不认为是玻璃幕墙的一个奇迹。

    从位于震中地区的建筑,幕墙能保持完好的事例来看，上述关于幕墙有较好耐震性能的观点是可以令人信服的。

    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，那么幕墙和其他部件的耐震性能就有可比性了。从地震中许多例子可见，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。

    四、小结

    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。

    编后资料记载，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年我国台湾大地震均有大量的玻璃窗震害的报告；虽然日本大阪、神户和我国台中、台南等城市有不少带有幕墙的建筑，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。到目前为止,相关部门还没有看到震中地区未倒塌房屋上幕墙发生震害的报告，这与1995年日本阪神大地震和1999年我国台湾大地震的情况类似。

    据报道,在受灾最严重的北川，一片废墟之中，刘汉希望小学依然屹立，长十余米、三层楼高的玻璃幕墙居然连一块玻璃都没有破损。这不能不认为是玻璃幕墙的一个奇迹。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。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。今天发表的《对四川汶川大地震中玻璃窗和玻璃幕墙抗震性能的初步分析》一文，就是中国建筑科学研究院专家赵西安对这一现象认真研究的成果。我们希望能有更多的专家和学者关注这一现象，并共同来探讨玻璃幕墙在地震中具有减灾功能的规律。

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