青海玉树地震中的玻璃窗和玻璃幕墙

　　一、概述

　　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。

　　2008年四川汶川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。

　　2010年4月14日，青海玉树发生了7.1级大地震，震中烈度达8度强。无抗震设防的民居大量倒塌；按7.5度（0.15g）抗震设防的正规建筑震害较轻，玻璃窗大量保存，玻璃幕墙基本上无损坏，可以对其抗震性能作出分析。

　　1.2 侧向位移大小的估计

　　正如作者在2008年发表的《汶川大地震中的玻璃窗和玻璃幕墙》一文中所指出：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。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。

　　图1 窗的状态取决于主体结构的状态

　　图1为震中的一座藏族民居。从图1可见，窗的破损情况与墙等主体结构的震害相关。当墙体无损害或损坏轻微时，窗框形状保持不变，玻璃不会破碎（图1的中、右窗）；当主体结构发生大变形，墙体破裂、倒塌时，窗框也严重变形，甚至破断，玻璃就会破碎（图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（图2~图5）。

　　

　　图2 大门倒了,楼未损,窗完好

　　

　　图3 办公楼的推拉窗无破损

　　

　　图4 平开窗和凸窗都完好无损

　　

　　图5 五层建筑完好,窗无损害

　　2.2主体结构有轻微裂缝的建筑物

　　

　　图6 藏族民居二层墙微裂，窗完好

　　

　　图7 可可西里饭店窗未破损

　　

　　图8 墙有细裂缝，凸窗无震害

　　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（图9~图11）。

　　

　　图10 玉树汽车站墙大交叉裂缝

　　

　　图11 墙破损，部分玻璃掉下

　　

　　图12 虽然墙破坏严重，但推拉窗活动余地大，破损少

　　有些留存的建筑，虽然砖墙破碎，但推拉窗破损不多，这可能是结构刚度较大，侧移小，加上用推拉窗，活动余量大，玻璃破损不多。类似的例子只是个别的，一般强震过后，残留建筑固定窗一般破坏都比较严重（图12）。

　　2.4 砖墙严重破坏的建筑和产生大侧移建筑

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

　　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。

　　

　　图13 玉树孤儿学校玻璃全部飞散

　　图14 墙和玻璃窗破坏严重

　　

　　图15 一层玻璃破碎飞散

　　

　　图16 二层墙倒窗掉落，三层窗破坏

　　

　　图17 玉树民族学校宿舍墙倒塌

　　图1 窗的状态取决于主体结构的状态

　　图1为震中的一座藏族民居。从图1可见，窗的破损情况与墙等主体结构的震害相关。当墙体无损害或损坏轻微时，窗框形状保持不变，玻璃不会破碎（图1的中、右窗）；当主体结构发生大变形，墙体破裂、倒塌时，窗框也严重变形，甚至破断，玻璃就会破碎（图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（图2~图5）。

　　

　　图2 大门倒了,楼未损,窗完好

　　

　　图3 办公楼的推拉窗无破损

　　

　　图4 平开窗和凸窗都完好无损

　　

　　图5 五层建筑完好,窗无损害

　　2.2主体结构有轻微裂缝的建筑物

　　

　　图6 藏族民居二层墙微裂，窗完好

　　

　　图7 可可西里饭店窗未破损

　

　　图18 窗洞变成平行四边形，推拉窗活窗也就没有了动扇还保持矩形

　　2.5 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（图12）。从图18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。

　　2.6 固定窗的变形耐受能力

　　从这次玉树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的。

　　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。

　　这个情况和2008年汶川大地震的情况是相同的。


　　三、幕墙在玉树地震中的表现

　　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0.7~0.9g（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 玉树地震中幕墙的性能

　　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、1999年台湾大地震和2008年汶川大地震的情况类似。

　　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。

　　

　　图19~图25是一些位于震中地区玉树的建筑,从它们的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。

　　

　　图19 隐框玻璃幕墙基本完好

　　

　　图20 整片幕墙只碎了一块玻璃

　　

　　图21 玉树州藏医院隐框玻璃幕墙

　　

　　图23 隐框幕墙完好无损

　　

　　图24 明框幕墙也没受到震害

　　

　　图25 结构倒塌了，幕墙还在坚持

　　

　　图26 砖墙碎，面砖掉，幕墙完好

　　

　　图27 左面湿贴石板破，右面窗玻璃破，中间隐框幕墙完好

　　3.3 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26、图27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。

　　3.4 英雄的建筑——玉树巴塘机场

　　玉树远离青藏铁路，公路只有一条214国道，航空运输在抗震救灾中成为生命线。2009年才建成，2010年初刚刚开航的玉树机场成为英雄建筑。

　　玉树机场航站楼刚建成就经历了大地震的考验。钢结构屋架完好，明框玻璃幕墙和铝板屋面没受到损坏，这为震后第一时间通航提供了保证。从玉树机场大楼岿然不动的英雄身影中，我们深深感受到钢结构和建筑幕墙优异的抗震性能（图28~图30）。

　　

　　图29 钢屋架，铝板屋面，玻璃幕墙

　　

　　图30 机场大楼安全，生命线畅通无阻

　　图31 幕墙完好无损，救援迅速到达

　　

　　图32 透过幕墙玻璃，看到光明，看到希望


　　四、小结

　　这次玉树地震和2008年汶川地震一样，震害情况表明，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。这次玉树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。