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0岩石切割机
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
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. 关键词: 玻璃窗、幕墙、震害调查、抗震设计 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. 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. 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. 陕西省受这次地震波及,西安市一些高层建筑的伸缩缝发生轻微碰撞,面砖掉下(图2),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. 图3和图4分别为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. 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 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. 汶川漩口中学教学楼为四层框架填充砖墙结构,地震中框架产生很大的侧移,框架柱倾斜,框架梁波浪形弯曲,填充砖墙出现交叉宽裂缝,有些甚至倒塌.玻璃窗破坏相当严重(图7). 框架结构梁柱截面较小,地震中水平位移一般都比较大.图8为汶川两层框架结构房屋,在巨大的水平推力作用下,框架产生很大的倾斜,许多区格填充墙倒塌,玻璃窗飞出. 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 (图1). 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(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. 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. 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0.7~0.9g(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. 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. 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,大震不掉的要求的.
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