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地震给建筑幕墙抗震设计带来怎样的启示

韩睿华

今年以来,世界各地地震频发。113日,海地发生7.3级地震;227日,智利发生里氏8.8级大地震,2010414日青海玉树县发生两次地震,最高震级7.1级……一场场灾难性大地震的发生,使抗震建筑再一次走进人们的视野。2008年的汶川大地震虽然渐行渐远,但这场地震产生的影响是深远的,同时也给建筑学界敲响了警钟:我们的建筑及外围护结构能否经得起地震的考验?

汶川地震有效检验建筑幕墙抗震设计

我国幅员辽阔,有相当一部分地区位于地震带上。随着城镇化步伐的推进,作为外围护结构的建筑幕墙,近几年,其产量始终维持在每年5000万平方米以上的水平。幕墙的高产量,也让建筑专家担忧另外一个问题——建筑幕墙的抗震能力。

中国建筑金属结构协会幕墙专家张芹介绍,汶川地震发生后,国家和地方的地震、建设主管部门派出了数千名工程技术人员奔赴地震灾区,对震损房屋建筑开展调查工作,取得了十分宝贵的第一手资料,对业内专家正确进行幕墙抗震设计有很大帮助。张芹认为,对震损建筑和建筑幕墙进行快速评估、收集资料、采集样本、鉴定评估建立完整档案,是刻不容缓的任务。这些资料将为灾区的恢复重建和我国工程建设抗震规范和标准的修订提供科学依据,从而使我国地震灾区各类房屋建筑和工程设施的抗震能力得到进一步提高,建筑设计师们应设计出更加抗震的建筑幕墙。

张芹说,汶川大地震对我国建筑幕墙抗震设计是一次最有效的检验。他认为,认真研究震害特点,总结经验,思考《建筑抗震设计规范》和幕墙设计规范中有关幕墙抗震设计的规定与设计以及施工中的问题,对于灾后建造更为耐震的建筑结构和建筑幕墙,修订抗震设计规范和幕墙设计规范中有关幕墙抗震设计的规定具有重要意义。

张芹提出,面对如此严重的破坏,业内人士应清醒地认识到,除了实际地震烈度高于预计的设防烈度、特殊的地震衰减规律、地震波传播特征及对地形反应等原因外,针对建筑结构本身的特点,对照规范规定和施工中存在的问题,加以客观、科学地分析,对解释和认识地震灾害也是十分必要的。规范或标准中那些经过检验证明是正确的,在今后就应坚持执行。对在汶川大地震中暴露出的建筑幕墙抗震设计中存在的问题,要研究提出改进措施,经过试验、论证,再在实际工程中使用、改进、完善,成熟后列入规范(标准)中,设计出更抗震的建筑幕墙。

中国建筑科学院抗震所所长王亚勇指出,令人意外的是玻璃幕墙在地震时并没有大量脱落伤人,大部分表现良好,尽管地震强度达到“大震水准”,主体结构已有损坏,隔墙和吊顶也大量破坏,玻璃幕墙却完好无损。可见这种幕墙设计具有良好的变形能力。在各类玻璃幕墙中,明框幕墙的主要问题是框架本身的变形过大导致玻璃被挤碎,但是,如果框架的变形得到控制,也能保证玻璃的安全;隐框幕墙由于在伸缩缝处受到撞击或硅酮结构密封胶承载力降低均可能造成玻璃脱落。

幕墙专家赵西安教授认为,固定窗和幕墙都是由面板和支承结构组成的围护结构系统,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。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(最大)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。

张芹说,专业部门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)时,位移角达到1/701/50,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。

建筑幕墙设计应符合抗震要求

张芹介绍,我国建筑幕墙起步虽然较晚,但从起步开始就把建筑幕墙的抗震设计作为一个重要的问题,进行了系统的分析研究,提出了一批研究成果,成为我国编制规范(标准)的基础。首先明确建筑幕墙的抗震设计也要符合“三水准设防”的要求,但建筑幕墙作为围护构件和主体结构应有所区别,建筑幕墙悬挂于建筑主框架上,幕墙框架与建筑主框架牢固地连接在一起,它们同步运动,因而建筑主框架的破坏和变形必然使幕墙框架随之变形和破坏。这就是说,铝合金玻璃幕墙的抗震能力主要取决于它所依附的建筑主框架的抗震能力和自身的抗震构造。这样就需要对铝合金玻璃幕墙和幕墙所依附的建筑物两个方面都提出具体设防要求。

张芹说,通过对1989年旧金山地震、1994年洛杉矶地震震害调查报告及国内幕墙抗震测试资料的分析表明,在地震作用下,幕墙可产生两类效应,即直接效应和附加效应。直接效应是幕墙直接受到地震作用,使幕墙玻璃震碎、幕墙框架变形或破坏、连接件失效等。附加效应是当地震作用于建筑时,建筑物主体框架产生平面内外变形,引起幕墙的变形或破坏,其中平面内效应对幕墙影响最大。玻璃幕墙的抗震设计需考虑对幕墙本身设防和对幕墙所依附的建筑物主框架的变形限制。幕墙本身设防要求采用在设防烈度地震作用下不碎的玻璃厚度和不会产生残余变形的幕墙框格杆件截面。幕墙所依附的建筑物主框架在幕墙平面内的变形应按幕墙的变形承载能力加以限制。

张芹表示,在汶川大地震中玻璃幕墙的表现就充分反映了这一规律。只要我们按照规范的要求,认真设计、严格按规范施工,就可以使幕墙达到小震完好、中震可修、大震不掉的要求。

 

来源:中国建设报

 

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