建筑玻璃幕墻抗爆性能研究

吳伯海

摘 要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，國(guó)內(nèi)的高層建筑物也一幢接一幢的在人們的視線中誕生。人們對(duì)建筑物的要求也越來(lái)越高，玻璃幕墻不僅呈現(xiàn)出了防風(fēng)、遮雨、采光、隔熱等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，玻璃幕墻作為一種高品質(zhì)的外圍護(hù)室外裝飾結(jié)構(gòu)，集建筑功能、建筑技術(shù)和藝術(shù)與一體，以其個(gè)性、美觀、視覺(jué)沖擊力來(lái)迎合人們挑剔的眼光。在施工當(dāng)中，人們不免要考慮很多抗爆炸的因數(shù)，確保玻璃幕墻能抵擋各種未知的襲擊。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)建筑玻璃幕墻抗爆性能進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè)；玻璃幕墻；抗爆

一、玻璃幕墻常用的抗爆材料

玻璃幕墻作為整個(gè)建筑的外圍結(jié)構(gòu)，它的抗爆能力直接關(guān)系到建筑樓的命脈。若幕墻玻璃在遇到震動(dòng)時(shí)，玻璃碎片到處飛濺，很大程度上，人們是死于這種高速飛濺且擁有強(qiáng)大動(dòng)力的碎片。若玻璃在受到強(qiáng)大的沖擊時(shí)，可以完好無(wú)損，那么沖擊波便很難越過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，這樣，室內(nèi)的人和財(cái)物都可以免受其害，同時(shí)也可以避免室內(nèi)的東西掉下樓砸傷樓下的人或建筑。因此，玻璃幕墻抗爆性能的加強(qiáng)可以很好的避免襲擊中人員的傷亡。

1、鋼化玻璃

鋼化玻璃因?yàn)槠浜芨叩挠捕群蛷?qiáng)度，常被廣泛用于高層建筑物當(dāng)中。鋼化玻璃是將浮法玻璃加熱到一定程度之后迅速冷卻的產(chǎn)物，由于其溫度變化太快，外部遇冷快速固化，內(nèi)部來(lái)不及反應(yīng)，只能慢慢冷卻，如此使玻璃表面產(chǎn)生的應(yīng)壓力提高了玻璃的強(qiáng)度，一般比普通玻璃的機(jī)械強(qiáng)度要高3 到5 倍，內(nèi)部的張應(yīng)力提高了玻璃的耐熱性和穩(wěn)定性。如此，鋼化玻璃便可以承受一定范圍內(nèi)的外來(lái)撞擊和溫差變化，并且，遇到過(guò)大的撞擊力，不會(huì)肆意飛濺，而是變成像蜂窩狀小顆粒的整塊兒玻璃。因此，鋼化玻璃不但具有強(qiáng)度高和耐熱穩(wěn)定性高兩大優(yōu)點(diǎn)，安全性能高也是不容小覷的。

2、高強(qiáng)度單片防火玻璃

通過(guò)將浮法玻璃進(jìn)行高溫煅燒，用特殊化學(xué)物質(zhì)處理，使玻璃表面的金屬鈉經(jīng)過(guò)二十幾個(gè)小時(shí)的替換，便形成了單片防火玻璃。既然是防火玻璃，毋庸置疑，當(dāng)然具有很好的防火功效，它可以長(zhǎng)時(shí)間在高達(dá)10000℃的火焰中保持原樣。同樣的厚度，高強(qiáng)度單片防火玻璃的強(qiáng)度是浮法玻璃的6到12倍。如果遇到爆炸事故，它可以延長(zhǎng)人們?cè)诰o急情況下撤離現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間，同樣也為救援工作爭(zhēng)取了時(shí)間。

3、防炸彈玻璃

爆炸襲擊與其他類型的災(zāi)害（如地震、大風(fēng)等）相比具有明顯的特點(diǎn)。近距離爆炸作用于建筑物的沖擊波荷載非常高，有時(shí)會(huì)比建筑物本身的設(shè)計(jì)荷載高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。防炸彈玻璃是目前我國(guó)生產(chǎn)出來(lái)的功能最安全的玻璃之一。它可以有效抵擋爆炸產(chǎn)生的沖擊波、高溫火焰產(chǎn)生的熱沖擊波和子彈沖擊波。玻璃幕墻的抗爆防護(hù)主要是針對(duì)爆炸所產(chǎn)生的急劇膨脹性沖擊波和巨大震動(dòng)，要想抗得住炸彈襲擊的巨大威力，玻璃必須經(jīng)得起各種沖擊波和碎片攻擊的破壞效應(yīng)。

4、安全防爆玻璃

安全防爆玻璃貼膜不但可以防止玻璃碎片到處飛濺，還可以抵制盜賊敲碎玻璃進(jìn)入一些重要區(qū)域，保護(hù)藝術(shù)品不被破壞。從玻璃的防彈、防盜以及防爆的安全性能考慮，我們可以選擇更好的面材從設(shè)計(jì)根本上解決這個(gè)問(wèn)題。

5、幕墻龍骨

炸彈爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)變化的過(guò)程，爆炸裝置可視為一個(gè)承受內(nèi)壓等于爆轟壓力的容器，當(dāng)壓力超過(guò)殼體的屈服強(qiáng)度時(shí)，殼體產(chǎn)生拉伸或剪切破壞，爆炸便發(fā)生了。爆炸時(shí)能釋放出大量的熱并能生成大量的氣體產(chǎn)物，在極短的時(shí)間內(nèi)和有限的空間里釋放出巨大的能量。幕墻龍骨一般選擇強(qiáng)度較高的鋼材，滿足爆炸時(shí)產(chǎn)生的峰值壓力，并且鋼材表面要采用防火材料處理。這樣才能抵抗各種高強(qiáng)度的爆炸壓力。

二、玻璃幕墻抗爆性能分析

目前，玻璃幕墻的抗爆研究與分析方法主要有以下三利，：解析方法、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬分析法。

1、解析方法

通常是采用基本的應(yīng)力波理論、材料力學(xué)、固休力學(xué)、彈塑性力學(xué)和能量原理等基本力學(xué)原理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)和規(guī)范介紹玻璃幕墻的抗暴計(jì)算方法，但有時(shí)又需要定量的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確與否。為此，常采用簡(jiǎn)化的分析方法以此得到比較合理的分析結(jié)果，其簡(jiǎn)化如下：①根據(jù)爆炸力的特征，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；②框架構(gòu)件和豎權(quán)、橫嵋等配件的受力采用靜荷載的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化；③可以考慮用直線來(lái)代替沖擊波隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖1所示。（其中PQ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓AP+為沖擊波超壓；t+為沖擊波正壓作用時(shí)間）。

基于上述簡(jiǎn)化計(jì)算準(zhǔn)則，己有很多研究學(xué)者將玻璃幕墻簡(jiǎn)化成等效單自由度模型。Krauthamruer和Altenberg曾采用單自由度模型對(duì)爆炸沖擊波負(fù)壓在玻璃面板上的作用效應(yīng)進(jìn)行了分析。除此之外，還有研究人員采用板殼動(dòng)力理論對(duì)其性能進(jìn)行研究。高軒能等采用彈性薄板振動(dòng)理論研究了框支承玻璃在爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)及防爆距離。雖然解析方法以較為簡(jiǎn)潔的形式給出有關(guān)物理量之間的關(guān)系，但是由于爆炸空氣沖擊波荷載、材料本構(gòu)關(guān)系和邊界條件的復(fù)雜性，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到很大的限制，只能運(yùn)用到極少數(shù)簡(jiǎn)單問(wèn)題中。

2、實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)開(kāi)展足尺寸的沖擊波實(shí)驗(yàn)，可以觀察到玻璃幕墻在真賣爆炸沖擊荷載下的反應(yīng)?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得到其真實(shí)的抗爆性能。常用的玻璃爆炸沖擊波實(shí)驗(yàn)方法一般有兩種：①距離實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)組件對(duì)己知特性炸藥的沖擊承受能力；②激振管實(shí)驗(yàn)，在特意建造的小室內(nèi)瞬間釋放高壓氣流產(chǎn)生沖擊波。實(shí)際工程中常選用距離實(shí)驗(yàn)方法，該方法簡(jiǎn)便，并在一定程度上滿足了工程需要。陳峻等采用距離實(shí)驗(yàn)方法對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行了沖擊波試驗(yàn)，并具體介紹了距離實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法。雖然實(shí)驗(yàn)研究真實(shí)再現(xiàn)了構(gòu)件在真實(shí)荷載下的性能，但是隨著對(duì)沖擊問(wèn)題的深入研究，該方法己無(wú)法達(dá)到計(jì)算精度的要求。

3、數(shù)值模擬分析法

數(shù)值模擬分析法避免了實(shí)驗(yàn)方法的危險(xiǎn)性和昂貴性，其靈活性和可重復(fù)性加快了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。在抗爆結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，常用的抗爆分析軟件有以下種：ABAQUS.LS一DYNAIDYNA3D和AUTODYNA等。目前，傳統(tǒng)數(shù)值模擬分析存在以下兩個(gè)問(wèn)題：①?zèng)]有考慮爆炸荷載和幕墻結(jié)構(gòu)的流固禍合計(jì)算；②對(duì)玻璃與周圍部件連接作用進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化，分析模型多僅限于玻璃面板。這使得模擬結(jié)果難以真實(shí)反應(yīng)復(fù)雜幕墻系統(tǒng)中玻璃的爆炸響應(yīng)情況。針對(duì)上述問(wèn)題，鄧榮兵等利用罰函數(shù)，用ALE有限元法進(jìn)行了爆炸荷載與幕墻結(jié)構(gòu)禍合作用的三維動(dòng)態(tài)仿真。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算方法的逐步改進(jìn)，數(shù)值模擬分析法在解決爆炸問(wèn)題中正發(fā)揮著日益重要的作用。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，針對(duì)建筑物的恐怖爆炸襲擊不斷發(fā)生，使得抗爆玻璃研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。玻璃幕墻是這類建筑常用的外墻，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、自重和地震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比較成熟，但是在爆炸沖擊荷載作用下的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法的研究，目前相對(duì)滯后。因此，研究玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力相應(yīng)，具有非常重要的理論及工程應(yīng)用價(jià)值。

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