建筑中水平承重玻璃的耐火性能試驗(yàn)分析

詹子娜，南化祥，顧廣悅，梁孟羽，端木祥玲，李 龍

(中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100030)

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，各類建筑層出不窮,人們對建筑完美效果的追求也永無止境,從建筑的使用功能和環(huán)境考慮,現(xiàn)代的建筑越來越追求通透性和視覺的美觀。從而對玻璃的應(yīng)用需求越來越大，使用特性要求也越來越高，如透明性、耐久性和優(yōu)良的力學(xué)性能，玻璃從傳統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)材料(門窗、幕墻和采光頂)發(fā)展到最新的結(jié)構(gòu)材料(如玻璃地板、樓梯和墻體)。如大型火車站、圖書館、觀賞塔、綜合商業(yè)樓內(nèi)局部樓板、樓梯均采用了玻璃構(gòu)件。

玻璃的抗火性較差[1,2]，而作為承重樓板不僅要滿足承重的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，更要達(dá)到一定的耐火要求，以滿足人員的安全疏散。但目前我國針對玻璃承重樓板構(gòu)造的防火研究較少[3,4]，也沒有相應(yīng)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)，在設(shè)計(jì)時(shí)往往簡單的采用鋼化玻璃或防火玻璃進(jìn)行設(shè)計(jì)，玻璃承重樓板在火災(zāi)下能否保障人員的疏散安全條件有待進(jìn)一步的研究分析。該文通過水平鋼化玻璃在高溫中的抗彎性能試驗(yàn)分析，提出一種玻璃承重樓板框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，為后期建筑內(nèi)玻璃樓板的消防安全設(shè)計(jì)提供一些指導(dǎo)。

1 鋼化玻璃高溫下抗彎性能分析

鋼化玻璃具有較好的承重性能，但是耐火性較差，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼化玻璃可承受的溫度突變范圍為300 ℃左右[5,6]，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一般在5～8 min時(shí)就會炸裂，如單獨(dú)使用鋼化玻璃作為承重樓板很難到達(dá)相關(guān)規(guī)范的耐火要求和人員安全疏散要求。目前針對玻璃的耐火性能檢測的技術(shù)要求和規(guī)范主要是針對垂直非承重玻璃的，利用現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范無法滿足其耐火極限試驗(yàn)檢測要求。

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為科學(xué)合理的評估水平鋼化玻璃高溫下溫度場分布，該文參考《玻璃材料彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(JC/T676—1997)中水平玻璃載重試驗(yàn)裝置，結(jié)合試驗(yàn)加溫要求，研發(fā)了單面水平玻璃高溫下加載的控制試驗(yàn)爐。該爐為柱形的立體對開式結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)徑300 mm，高400 mm，爐體下部設(shè)置的直徑為160 mm的高強(qiáng)保溫爐體，另外，爐體上下中心處各開直徑30 mm的圓孔。該加熱爐的升溫速率為10 ℃/min，該次試驗(yàn)最高溫度為300 ℃。試驗(yàn)的設(shè)備包括支撐裝置、加載裝置、測位移裝置、測應(yīng)變裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗(yàn)采用通過穿心千斤頂和上部的壓頭給試件施加均勻拉力的加載，根據(jù)常溫下試驗(yàn)機(jī)的加載原理及加載部位的尺寸，定制了該試驗(yàn)的壓頭。利用中間錨桿的拉力使其作用于上部的不銹鋼壓頭，使玻璃試件的中間部位均勻受壓。在加載過程中利用中間的荷載傳感器采集荷載數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)的采集包括鋼化玻璃試件上表面、試件下表面和試件周圍的溫度，用K型熱電偶接觸鋼化玻璃試件表面，連接數(shù)據(jù)采集儀采集溫度數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。結(jié)合玻璃的傳熱過程和承重要求，該次試驗(yàn)選用尺寸120 mm×20 mm的試件，厚度為12 mm進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，試件達(dá)到爐溫恒定溫度后恒溫15 min，12 mm試件達(dá)到爐溫恒定溫度后恒溫10 min，然后緩慢加載直至試件破壞。

1.2 高溫下鋼化玻璃強(qiáng)度試驗(yàn)分析

由圖2、圖3可以看出玻璃表面在溫度越高的情況下上下的溫差越大，最大溫差為49.28 ℃。分析鋼化玻璃試件上下表面溫度差的產(chǎn)生是因?yàn)樵陔姛釥t的下部留有洞口加載及位移測量裝置，形成了一定的空氣流動，使加熱不夠均勻。

由圖2、圖3可知，玻璃加載曲線基本呈直線比例上升，依次遞增。位移隨著加載的增加也依次遞增升高，在試件破壞時(shí)位移達(dá)到最大。

12 mm厚鋼化玻璃強(qiáng)度和位移隨溫度變化曲線如圖4所示。

由此可知：

1)12 mm厚的鋼化玻璃在溫度升高時(shí)，強(qiáng)度都有所降低。溫度升高到300 ℃后，12 mm厚鋼化玻璃的強(qiáng)度降低12.19%，高溫對鋼化玻璃影響較大。

2)鋼化玻璃隨溫度的升高，位移也有所增大，即鋼化玻璃的撓度稍微有所變大、軟化程度變大。12 mm厚鋼化玻璃的位移增大2.99%，鋼化玻璃抵抗變形的能力相對較好。

3)從玻璃破壞的結(jié)構(gòu)紋理來看，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著一定缺陷和微裂紋，在一定程度上增加了玻璃試件破裂的隨機(jī)性。整體上，鋼化玻璃破壞碎片小而規(guī)則，基本無尖端，可基本避免人員的二次傷害。

2 玻璃承重樓板框架耐火安全性試驗(yàn)分析

2.1 結(jié)構(gòu)框架體系

玻璃承重樓板構(gòu)造是指由玻璃樓板、框架龍骨、密封材料和其他配件組成的整個(gè)水平系統(tǒng)。在火災(zāi)下，任何一構(gòu)件被破壞都會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)使用功能的喪失。目前對非承重防火玻璃框架系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)已經(jīng)出臺了相關(guān)規(guī)定，但水平承重防火玻璃的構(gòu)造設(shè)計(jì)尚無依據(jù)可循。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜅l件

2.2.1 框架模型

最小玻璃樓板模型采用1.5 m為邊長玻璃構(gòu)件組成，下層采用1 h耐火極限的防火玻璃，中間為400 mm厚的空氣層，上層采用12 mm的雙層鋼化玻璃，每個(gè)單元四周設(shè)置400 mm厚工字鋼承重支撐。每側(cè)工字鋼腹板上開敞，便于中間空氣層的高溫?zé)釟獾膶α魃?，以降低高溫?zé)釟鈱ι蠈愉摶ＡУ挠绊憽?/p>

2.2.2 荷載加載方式

承重的組合玻璃樓板實(shí)際使用中，特殊情況下可能作為人員疏散的通道，考慮到4人的承重要求，采用20 kg的標(biāo)準(zhǔn)防火砌塊進(jìn)行靜止荷載的均勻加載方式，鋼化玻璃上表面的承載能力為1.19 kN/m2。如圖5所示。

2.2.3 火源設(shè)定

該次試驗(yàn)選用的是《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T 9978.1—2008)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，即ISO834標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線進(jìn)行。其表達(dá)式為

T=T0+345lg(8t+1)

式中，T0為垂直試驗(yàn)燃燒爐內(nèi)的初始溫度，℃；T為燃燒開始后在tmin時(shí)刻時(shí)水平試驗(yàn)燃燒爐內(nèi)的平均溫度，℃。

2.3 玻璃框架抗火安全性分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程進(jìn)行10 min、30 min時(shí)試驗(yàn)現(xiàn)象如圖6、圖7所示。

通過試驗(yàn)現(xiàn)象可知，在1 min 35 s的時(shí)候鋼化玻璃周邊開始起泡，3 min時(shí)下層防火膠起泡，4 min左右稍微起煙，下層防火玻璃夾層的防火膠開始炭化；到10 min時(shí)由于框架周邊防火棉受高溫影響，開始有明顯的起煙，并逐漸增加；22 min時(shí)，防火棉起煙量逐漸減低，下層防火玻璃開始變紅，下層防火玻璃有輕微炸裂聲；29 min時(shí)下層繼續(xù)發(fā)紅、炭化，但是沒有破裂。試驗(yàn)做至32 min，下層防火玻璃和上層鋼化玻璃都沒有破裂，但上層鋼化玻璃中間部位有明顯的下沉彎曲。

2.3.2 玻璃溫度變化

加載下玻璃的溫度變化曲線如圖8所示。

1)鋼化玻璃下表面、中間空氣層、防火玻璃上表面幾乎處在一個(gè)空間，構(gòu)造結(jié)構(gòu)由于周圍框架結(jié)構(gòu)未密封，與周圍換熱良好，三者的溫度差別不是很大。

2)鋼化玻璃的下表面和上表面溫度差別較大，相差近200 ℃，是由于玻璃為熱惰性材料，在短時(shí)間加溫過程中12 mm+1.52 pvb(玻璃夾層膜)+12 mm鋼化玻璃的傳熱較慢，上層鋼化玻璃一直處在室內(nèi)環(huán)境中，因此鋼化玻璃上層升溫較慢。

3)通過鋼化玻璃溫度的變化，下層鋼化玻璃在30 min時(shí)到達(dá)280 ℃，上層由于與外界空氣直接接觸，表面溫度最高達(dá)到100 ℃，但在1.19 kN/m2的均勻靜載荷下，雖然玻璃尚未破壞，但上層鋼化玻璃已出現(xiàn)明顯的下沉變形，已出現(xiàn)很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

a.根據(jù)水平玻璃樓板實(shí)際使用和設(shè)計(jì)的需求，重點(diǎn)分析了常用厚度12 mm鋼化玻璃樓板在高溫下強(qiáng)度、位移降低的影響，高溫對鋼化玻璃強(qiáng)度影響較大，但鋼化玻璃在高溫下抵抗變形的能力也相對較好。

2)根據(jù)水平玻璃承重樓板耐火性、完整性、承重性的基本要求，提出了一種由玻璃樓板、框架龍骨、密封材料和其他配件組成的整個(gè)水平系統(tǒng)。

3)通過標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)實(shí)體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由12 mm防火玻璃+12 mm鋼化玻璃組合的水平承重框架可具有1.19 kN/m荷載下30 min的耐火要求。

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