建筑玻璃幕墙抗爆性能研究

吴伯海

摘 要：随着我国现代化经济的快速发展和人们生活水平的日益提高，国内的高层建筑物也一幢接一幢的在人们的视线中诞生。人们对建筑物的要求也越来越高，玻璃幕墙不仅呈现出了防风、遮雨、采光、隔热等多项优势，玻璃幕墙作为一种高品质的外围护室外装饰结构，集建筑功能、建筑技术和艺术与一体，以其个性、美观、视觉冲击力来迎合人们挑剔的眼光。在施工当中，人们不免要考虑很多抗爆炸的因数，确保玻璃幕墙能抵挡各种未知的袭击。笔者根据多年的工作经验，主要针对建筑玻璃幕墙抗爆性能进行分析和讨论。

关键词：城市建设；玻璃幕墙；抗爆

一、玻璃幕墙常用的抗爆材料

玻璃幕墙作为整个建筑的外围结构，它的抗爆能力直接关系到建筑楼的命脉。若幕墙玻璃在遇到震动时，玻璃碎片到处飞溅，很大程度上，人们是死于这种高速飞溅且拥有强大动力的碎片。若玻璃在受到强大的冲击时，可以完好无损，那么冲击波便很难越过玻璃进入室内，这样，室内的人和财物都可以免受其害，同时也可以避免室内的东西掉下楼砸伤楼下的人或建筑。因此，玻璃幕墙抗爆性能的加强可以很好的避免袭击中人员的伤亡。

1、钢化玻璃

钢化玻璃因为其很高的硬度和强度，常被广泛用于高层建筑物当中。钢化玻璃是将浮法玻璃加热到一定程度之后迅速冷却的产物，由于其温度变化太快，外部遇冷快速固化，内部来不及反应，只能慢慢冷却，如此使玻璃表面产生的应压力提高了玻璃的强度，一般比普通玻璃的机械强度要高3 到5 倍，内部的张应力提高了玻璃的耐热性和稳定性。如此，钢化玻璃便可以承受一定范围内的外来撞击和温差变化，并且，遇到过大的撞击力，不会肆意飞溅，而是变成像蜂窝状小颗粒的整块儿玻璃。因此，钢化玻璃不但具有强度高和耐热稳定性高两大优点，安全性能高也是不容小觑的。

2、高强度单片防火玻璃

通过将浮法玻璃进行高温煅烧，用特殊化学物质处理，使玻璃表面的金属钠经过二十几个小时的替换，便形成了单片防火玻璃。既然是防火玻璃，毋庸置疑，当然具有很好的防火功效，它可以长时间在高达10000℃的火焰中保持原样。同样的厚度，高强度单片防火玻璃的强度是浮法玻璃的6到12倍。如果遇到爆炸事故，它可以延长人们在紧急情况下撤离现场的时间，同样也为救援工作争取了时间。

3、防炸弹玻璃

爆炸袭击与其他类型的灾害（如地震、大风等）相比具有明显的特点。近距离爆炸作用于建筑物的冲击波荷载非常高，有时会比建筑物本身的设计荷载高出几个数量级，可导致建筑物产生严重的破坏。防炸弹玻璃是目前我国生产出来的功能最安全的玻璃之一。它可以有效抵挡爆炸产生的冲击波、高温火焰产生的热冲击波和子弹冲击波。玻璃幕墙的抗爆防护主要是针对爆炸所产生的急剧膨胀性冲击波和巨大震动，要想抗得住炸弹袭击的巨大威力，玻璃必须经得起各种冲击波和碎片攻击的破坏效应。

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处飞溅，还可以抵制盗贼敲碎玻璃进入一些重要区域，保护艺术品不被破坏。从玻璃的防弹、防盗以及防爆的安全性能考虑，我们可以选择更好的面材从设计根本上解决这个问题。

5、幕墙龙骨

炸弹爆炸是一个复杂的物理、化学反应变化的过程，爆炸装置可视为一个承受内压等于爆轰压力的容器，当压力超过壳体的屈服强度时，壳体产生拉伸或剪切破坏，爆炸便发生了。爆炸时能释放出大量的热并能生成大量的气体产物，在极短的时间内和有限的空间里释放出巨大的能量。幕墙龙骨一般选择强度较高的钢材，满足爆炸时产生的峰值压力，并且钢材表面要采用防火材料处理。这样才能抵抗各种高强度的爆炸压力。

二、玻璃幕墙抗爆性能分析

目前，玻璃幕墙的抗爆研究与分析方法主要有以下三利，：解析方法、实验方法和数值模拟分析法。

1、解析方法

通常是采用基本的应力波理论、材料力学、固休力学、弹塑性力学和能量原理等基本力学原理对结构进行分析。目前，国内还没有相关技术和规范介绍玻璃幕墙的抗暴计算方法，但有时又需要定量的计算来验证设计的正确与否。为此，常采用简化的分析方法以此得到比较合理的分析结果，其简化如下：①根据爆炸力的特征，幕墙的支撑结构可以考虑按照弹塑性力学进行分析；②框架构件和竖权、横嵋等配件的受力采用静荷载的方法进行简化；③可以考虑用直线来代替冲击波随时间的变化过程，如图1所示。（其中PQ为标准大气压AP+为冲击波超压；t+为冲击波正压作用时间）。

基于上述简化计算准则，己有很多研究学者将玻璃幕墙简化成等效单自由度模型。Krauthamruer和Altenberg曾采用单自由度模型对爆炸冲击波负压在玻璃面板上的作用效应进行了分析。除此之外，还有研究人员采用板壳动力理论对其性能进行研究。高轩能等采用弹性薄板振动理论研究了框支承玻璃在爆炸冲击荷载下的动力响应及防爆距离。虽然解析方法以较为简洁的形式给出有关物理量之间的关系，但是由于爆炸空气冲击波荷载、材料本构关系和边界条件的复杂性，在实际应用中会受到很大的限制，只能运用到极少数简单问题中。

2、实验方法

通过开展足尺寸的冲击波实验，可以观察到玻璃幕墙在真卖爆炸冲击荷载下的反应。基于实验数据的综合分析，可以得到其真实的抗爆性能。常用的玻璃爆炸冲击波实验方法一般有两种：①距离实验，试验组件对己知特性炸药的冲击承受能力；②激振管实验，在特意建造的小室内瞬间释放高压气流产生冲击波。实际工程中常选用距离实验方法，该方法简便，并在一定程度上满足了工程需要。陈峻等采用距离实验方法对玻璃幕墙进行了冲击波试验，并具体介绍了距离实验的实施方法。虽然实验研究真实再现了构件在真实荷载下的性能，但是随着对冲击问题的深入研究，该方法己无法达到计算精度的要求。

3、数值模拟分析法

数值模拟分析法避免了实验方法的危险性和昂贵性，其灵活性和可重复性加快了设计周期，降低了设计成本。在抗爆结构动力分析中，常用的抗爆分析软件有以下种：ABAQUS.LS一DYNAIDYNA3D和AUTODYNA等。目前，传统数值模拟分析存在以下两个问题：①没有考虑爆炸荷载和幕墙结构的流固祸合计算；②对玻璃与周围部件连接作用进行了诸多简化，分析模型多仅限于玻璃面板。这使得模拟结果难以真实反应复杂幕墙系统中玻璃的爆炸响应情况。针对上述问题，邓荣兵等利用罚函数，用ALE有限元法进行了爆炸荷载与幕墙结构祸合作用的三维动态仿真。随着计算机技术的不断发展以及计算方法的逐步改进，数值模拟分析法在解决爆炸问题中正发挥着日益重要的作用。

结束语

近年来，针对建筑物的恐怖爆炸袭击不断发生，使得抗爆玻璃研究成为人们关注的热点。玻璃幕墙是这类建筑常用的外墙，玻璃幕墙结构在风荷载、自重和地震作用下的结构设计相对比较成熟，但是在爆炸冲击荷载作用下的设计理论及设计方法的研究，目前相对滞后。因此，研究玻璃幕墙结构在爆炸冲击荷载作用下的动力相应，具有非常重要的理论及工程应用价值。

参考文献：

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