从汶川地震反思建筑幕墙抗震设计
汶川地震发生后，５月１３日起，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。中国建筑科学研究院抗震所王亚勇所长、中国建筑科学研究院赵西安教授、成都市协会吴志勇、成都硅宝公司王有志、东莞坚朗市五金制品有限公司等在地震灾区，对震损房屋建筑和建筑幕墙开展调查工作，也取得了建筑幕墙震害十分宝贵的第一手资料，在对震损建筑和建筑幕墙进行快速评估后，写出了一批论文，为我们正确理解幕墙抗震设计有很大帮助。对震损建筑和建筑幕墙进行快速评估、收集资料、采集样本、鉴定评估建立完整的档案，是继紧急救援后刻不容缓的任务，也是各级政府和工程技术人员的责任。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，也为我国建筑幕墙抗震设计和建筑幕墙抗震设计规范（标准）修订提供了科学依据，我们将建造更耐震的建筑幕墙。
实践是检验真理的唯一标准，汶川地震对我国建筑幕墙抗震设计是一次最有效的检验，因此，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、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。面对如此严重的破坏，我们应该清醒地认识到，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、科学的分析，对解释和认识震害也是十分必要的。对规范（标准）中哪些经过检验证明是正确的，在今后就要坚持执行，对在汶川地震中暴露出建筑幕墙抗震设计中存在的问题，要研究提出改进出措施，经过试验、论证再在实际工程中使用、改进、完善，成塾后列入规范（标准）中，造出更耐震的建筑幕墙。
王亚勇所长在他的文章《汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计》一文中指出：“---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，尽管地震动强度达到“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。《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102—2003）第4.2.6条规定：“玻璃幕墙平面内变形性能，…；抗震设计时，应按主体结构的弹性层间位移角限值的3倍进行设计。”对于明框幕墙的玻璃与槽口的配合尺寸作了规定（见第4.3.12条、9.5.2条和9.5.3条）。主体结构的弹性层间位移角限值的3倍相当于“中震水准”下主体结构保持弹性的最大层间位移角限值，相当于“大震”作用时结构的弹塑性位移值。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。”
赵西安教授在他的文章《汶川大地震中玻璃窗和玻璃幕墙抗震性能的初步分析》一文中指出：“----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。
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。----- 一些位于震中地区的建筑,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。----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”
我国建筑幕墙起步虽然较晚，但从起步开始我们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，他成为我国编制规范（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“---它悬挂于建筑主框架上，----幕墙框架与建筑主框架牢固的连接在一起，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，即当铝合金玻璃幕墙所依附的建筑物遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，普通型幕墙与幕墙平面平行和垂直两个方向的主框架及隐框幕墙与幕墙平面垂直方向的主框架的层间弹性位移角不能大于l/800，且≤5mm；隐框幕墙与幕墙平面平行方向的主框架的层间弹性位移角不能大于l/1000，且≤4mm。在罕遇地震作用下结构薄弱层层间弹塑位移角不能大于1/100。”[6] “ 通过对1989旧金山地震、1994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。我国抗震设防采用三个水准与二阶段设计，第二水准烈度地震作用是第一水准地震烈度的3倍。近似地，把在众值烈度地震作用下采用弹性方法计算的楼层层间位移与层高之比折算成第二水准弹塑性位移，就得到了与幕墙平面内变形临界值的对应值。 以上分析表明，对幕墙平面内变形性能的要求与建筑结构类型有关，即要根据结构类型选用具有不同平面内变形性能的幕墙。” [7] 抗震设计时，应按主体结构的弹性层间位移角限值的3倍进行设计。JGJ102-96（2003）4.3.12条规定：建筑幕墙“在多遇地震作用下应能正常使用；在设防烈度地震作用下经修理后仍可使用；在罕遇地震作用下幕墙骨架不得脱落。”“明框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙应符合下式要求：
2c1（1+L1/L2×c2/c1）≥u li m （4.3.12）
式中 ul i m — 由主体结构层间位移因起的分格框的变形限值（mm）；
L1 — 矩形玻璃板块竖向边长（mm）；
L2 — 矩形玻璃板块横向边长（mm）；
c1 —玻璃与左、右边框的平均间隙（mm），取值时应考虑1.5mm的施工偏差；
c2 —玻璃与上、下边框的平均间隙（mm），取值时应考虑1.5mm的施工偏差；
注：------抗震设计时，ul i m应根据主体结构弹性层间为移角限值的3倍确定。”
JGJ102-96（2003）7.1.2条规定：“全玻璃幕墙的周边收口槽壁与玻璃面板或玻璃肋的空隙均不宜小于8mm---”
根据对1989旧金山地震、1994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，幕墙产生两类效应，即直接效应和附加效应。根据这一原理我国制定了世界上第一个《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》，试验方法针对幕墙试件和建筑物主体结构试体不同特点：建筑物主体结构试体,它是一个独立的受力试体,可直接安装在振动台台面上；而幕墙是围护构件,它不能独立存在,同时幕墙的抗震试验的一项主要内容—平面内变形,它是建筑物主体结构产生的效应施加给幕墙后幕墙产生的效应,这样为了悬挂幕墙,同时又要主体结构的层间变位强制幕墙产生平面内变形反应,必须设置模拟框架,这种模拟框架一般采用钢结构,这是因为钢结构弹性变形能力好,同时又便于安装拆卸。它要求钢框架不仅能悬挂幕墙,传递地震作用,而且要产生预期的层间变位来检测幕墙平面内变形性能,因此要求钢框架不仅要具备一定的强度,同时要具备预期的层间变位能力。用振动台试验，对新开发的各种类型幕墙进行检验性论证，对采用了玻璃、石材、铝板以及陶板、微晶玻璃、石粉板等人造板作为面板的建筑幕墙进行了上百次试验，这些试验结果说明幕墙具有良好的平面内变形能力，可以在较高烈度的地震中免受震害。
凡是贯彻了《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102—2003）第4.2.6条规定：“玻璃幕墙平面内变形性能，…；抗震设计时，应按主体结构的弹性层间位移角限值的3倍进行设计。”和上述明框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙要求的建筑幕墙，在地震时并没有大量脱落伤人，大部分表现良好。这些经过实践检验证明是行之有效的规定在今后建筑幕墙抗震设计中应不折不扣的贯彻。
对汶川地震地震灾区震损房屋建筑和建筑幕墙调查也发现以下问题：
1. 石材幕墙槽式连接有少量槽口开裂。

这种情况在1999年6月3～5日华南城建学院抗震研究中心对石材幕墙试验中已发现在台面加速度0.6g时石材幕墙槽式连接有一处槽口开裂，台面加速度0.6g相当于8.6度，达到大震水准，和汶川地震灾区达到大震水准一致，按中震可修的要求，属于允许范围。
2. 下端支承式全玻璃幕墙被主体结构墙体变形挤坏。

这可能与玻璃边缘至边框槽底的间隙和玻璃间接缝宽度不够有关，其中一个因素是施工偏差，建议JGJ102修订时，对下端支承式全玻璃幕墙施工偏差由1.5mm修改为3mm。
3. 建筑物主框架变形缝处玻璃幕墙破坏。

地震时建筑物主框架变形缝处主框架变位是必然的（主框架变形缝大小由主体结构考虑），问题是如何正确处理主框架变形缝部位幕墙的构造。一种方法是建筑物主框架变形缝处的幕墙采用可伸缩构造（如采用风琴板构造等），这样外立面就有一竖条与玻璃幕墙不同的构造，影响整个外立面的美观。一种方法是建筑物主框架变形缝处仍采用与整个外立面一样的玻璃幕墙，震损后修理。
4. 地震时各种类型建筑幕墙地震反应不完全相同，而《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》是根据隐框玻璃幕墙第一次试验方法制定的，需要根据汶川地震灾区建筑幕墙震害调查资料和上百次振动台对新开发的各种类型幕墙试验积累的资料进行修订。
5. 振动台试验中有部分采用插件和挂件连接的建筑幕墙（主要是石材幕墙），发生插件（挂勾）从插槽（挂槽）中脱出，为此GB/T21086《建筑幕墙》表51石材面板挂装系统安装允许偏差 对挂勾与挂槽搭接深度偏差、插件与插槽搭接深度偏差作了规定，这些规定在设计、施工中应严格执行。