高層建筑玻璃幕墻防爆炸設(shè)計(jì)

張磊

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑玻璃幕墻以其美觀新穎的造型和獨(dú)特鮮明的特點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)上，成為高層建筑時(shí)代的杰出代表。近年來，世界各地襲擊高層建筑的恐怖活動(dòng)頻繁發(fā)生，促使建筑設(shè)計(jì)中逐漸考慮到建筑的抗爆炸設(shè)計(jì)要求?；诖?，本文主要對(duì)高層建筑玻璃幕墻防爆炸設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；玻璃幕墻；防爆炸設(shè)計(jì)

1、前言

在現(xiàn)代大型、重要高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物的抗爆炸性能逐漸被列為設(shè)計(jì)要求之一，即建筑物要能夠抵抗一定程度的爆炸破壞影響，從而避免建筑物內(nèi)的人員受到可能的傷害。玻璃幕墻作為建筑的外維護(hù)構(gòu)建，它的抗爆性能直接關(guān)系到整個(gè)建筑物的安全性，是建筑抗爆炸設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。

2、幕墻系統(tǒng)受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)

2.1爆炸荷載的簡化

爆炸力屬偶遇荷載，幕墻的支撐結(jié)構(gòu)可以考慮按照彈塑性力學(xué)進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)雜的玻璃幕墻在爆炸沖擊時(shí)的受力狀態(tài)用近似的線性方程來處理，目前國內(nèi)還沒有明確的荷載規(guī)范公式，對(duì)于幕墻豎向型材、橫梁等構(gòu)件的受力可以采用靜荷載簡化的方法，對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行抗爆炸初步設(shè)計(jì)。

沖擊波的傳播衰減過程是非線性的，按照實(shí)際受力來分析，計(jì)算過于復(fù)雜，而且用在實(shí)際工程中意義不大，目前考慮用直線來代替沖擊波隨時(shí)間的變化過程，沖擊波荷載就可以簡化成一個(gè)三角分布的荷載，如圖1所示。

圖 1 沖擊波三角分布荷載

在分析玻璃幕墻的沖擊波作用時(shí)，可以用峰值超壓Pmax、超壓沖量Ft和沖擊波持續(xù)時(shí)間td等3個(gè)影響參數(shù)來確立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這些參數(shù)的初始設(shè)計(jì)值可由經(jīng)驗(yàn)和爆炸試驗(yàn)來獲得。爆炸沖擊波首先垂直于玻璃平面實(shí)施三角形爆炸荷載，接著，由于在爆炸荷載下夾層玻璃產(chǎn)生裂紋時(shí)在內(nèi)層生成的PVB膠片力會(huì)給周圍框架構(gòu)件施加玻璃平面內(nèi)指向中心的拉力。這些力同樣應(yīng)計(jì)入計(jì)算校核范圍。

2.2玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于玻璃脆性材料的限制，必須將玻璃粘接才能使破碎的玻璃不致飛濺傷人。目前由于節(jié)能的要求，大多數(shù)建筑多采用了中空玻璃，這就意味著如果進(jìn)行防爆炸設(shè)計(jì)，必須在室內(nèi)外兩面上都要進(jìn)行夾膠處理，以免爆炸產(chǎn)生的玻璃飛濺對(duì)室內(nèi)外人員造成嚴(yán)重傷害[3]。對(duì)于市面上膠片PVB、SGP與玻璃之間的粘結(jié)強(qiáng)度以及其本身抗沖擊性能與厚度的選擇，可詢問相關(guān)生產(chǎn)廠家，這里不再詳述。玻璃防護(hù)的基本原則是不允許整塊玻璃脫落玻璃框，為了充分利用玻璃進(jìn)行防爆炸設(shè)計(jì)，可考慮采用硅酮結(jié)構(gòu)膠將玻璃四周粘接到主要受力型材上面。

2.3幕墻受力型材的設(shè)計(jì)

玻璃框槽口必須保持一定的深度，通過經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算模擬，確定最小尺寸。此部分要求所要達(dá)到的目的是指當(dāng)沖擊波擊穿玻璃內(nèi)層PVB夾層之前，整個(gè)玻璃單元應(yīng)被約束在玻璃框之內(nèi)，而不致脫落。設(shè)計(jì)時(shí)，幕墻框?qū)凑粘惺懿Ａ鱽肀η闆r下的變形峰值來評(píng)價(jià)其承載能力。允許窗體結(jié)構(gòu)部分在規(guī)定值內(nèi)保持變形，但遭受炸彈襲擊后必須更換。在進(jìn)行沖擊波平面外直接作用幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的是彈塑性狀態(tài)，關(guān)鍵點(diǎn)有：驗(yàn)算幕墻構(gòu)件端部的轉(zhuǎn)角、延長比是否在規(guī)定的數(shù)值之內(nèi)；屈服強(qiáng)度的校核；借助軟件對(duì)于爆炸仿真模擬；對(duì)整體構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；在橫向最大撓度發(fā)生時(shí)，驗(yàn)算端部最大轉(zhuǎn)角是否符合規(guī)定等。而在進(jìn)行平面內(nèi)受力設(shè)計(jì)時(shí)，定義為彈性范圍，按照正常荷載組合和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3、高層建筑玻璃幕墻防爆炸設(shè)計(jì)

3.1玻璃材料選擇

抗爆玻璃推薦選用抗爆強(qiáng)度高的玻璃，如夾層玻璃、使用夾層玻璃的中空玻璃。夾層玻璃是由兩層及以上薄片玻璃用具有彈性的有機(jī)塑料粘合劑粘合而成的一種安全玻璃。中空玻璃是由兩片及以上玻璃以有效支撐隔開并周邊粘接密封，使玻璃層間形成有干燥氣體空間的制品。在保證安全使用的前提下，抗爆強(qiáng)度更高的玻璃通常能夠抵抗強(qiáng)度更大的爆炸沖擊荷載。另外，性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)膠和連接爪件也是近年研究開發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品。

3.2設(shè)置抗爆安全距離

爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力隨著距爆點(diǎn)徑向距離的增加而迅速衰減，因此增加爆炸中心點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離是抗爆設(shè)防最有效的方式。所謂抗爆安全距離，是指當(dāng)炸藥及其制品發(fā)生燃燒爆炸時(shí)，由爆炸中心點(diǎn)到能保護(hù)人身安全和使建筑物遭受破壞的程度被限制在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)允許的破壞等級(jí)之內(nèi)的最小距離。實(shí)際工程可以通過設(shè)置防護(hù)隔離帶、綠化帶、柵欄、防撞柱、防爆網(wǎng)、抗爆墻等來實(shí)現(xiàn)抗爆安全距離的要求。此外，通過建筑布局、交通規(guī)劃以及安全監(jiān)控和檢查進(jìn)行抗爆安全保護(hù)，如控制停車場(chǎng)遠(yuǎn)離建筑物可以減輕建筑物受到攜帶炸藥的車輛恐怖襲擊造成的破壞等。當(dāng)平面布置不能滿足安全距離的要求時(shí)，可以根據(jù)距離的遠(yuǎn)近采用不同的抗爆等級(jí)，距離越短所設(shè)置的抗爆等級(jí)應(yīng)越高。

結(jié)語：

建筑玻璃幕墻已成為現(xiàn)代建筑的重要組成部分，玻璃也是不可缺少的建筑材料。然而，玻璃具有易碎性并且破碎后碎片飛濺傷人，因此玻璃幕墻的抗爆性能成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為了減輕恐怖襲擊事件所帶來的災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)防范意識(shí)，提高安全設(shè)防水準(zhǔn)，做好防范措施。鑒于國外相關(guān)研究較為完善，本文建議可以適當(dāng)參考美國規(guī)范，根據(jù)其規(guī)定步驟進(jìn)行玻璃幕墻抗爆設(shè)計(jì)。此外，國內(nèi)學(xué)者也對(duì)玻璃幕墻抗爆性能做了一些研究嘗試，但試驗(yàn)、數(shù)值模擬和防爆措施的研究等方面還需深入，以期建立適用于我國的規(guī)范條文和設(shè)計(jì)步驟，為玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用提供安全保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮順山，王芳，胡浩江.爆炸沖擊波防護(hù)效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004（增刊）：173-176.

[2]李冠鵬，葛杰.美國規(guī)范中門窗玻璃抗爆設(shè)計(jì)方法探討[J].門窗，2012（8）：22-25.