防爆膜加固建筑玻璃抗爆性能分析

吴东，吴波，刘静，张硕，任琦

（中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142）

1 引言

当建筑发生爆炸事故时，建筑玻璃维护系统容易受到爆炸冲击波的破坏，玻璃的破坏也是造成人员伤亡和财产损失的重要因素。因此，玻璃系统的防护工程已成为重要建筑安全保护的必须考虑的因素。

国内外不少学者对建筑玻璃的爆炸破坏机理和抗爆加固方法进行了研究。董尚委[1]研究了不同建筑玻璃的抗爆性能，研究结果表明，玻璃本身材性以及窗框支撑系统均对窗户的抗爆性能具有影响。陈海航[2]对玻璃幕墙抗爆性能进行了数值分析，分析了影响玻璃面板抗爆性能的因素，提出了抗爆设计方法。张红等[3]结合数值仿真分析的方法和现有p-i图抗爆设计方法的不足，提出了可用于评估夹层玻璃抗爆性能的W-R公式。刘俊等[4]采用有限元分析和试验验证，提出了单层钢化玻璃损伤超压—冲量曲线的经验公式。

为分析在爆炸荷载作用下防爆膜加固对于玻璃抗爆性能影响，应用ANSYS LS-DYNA软件，建立防爆膜防护建筑玻璃三维有限元分析模型，并对不同加固方式的加固效果进行对比分析。

2 模型概况

窗户尺寸为1.2m×1.2m，由4块玻璃组成，单个玻璃尺寸为47.5cm×47.5cm。模型中包含铝合金窗框、玻璃以及钢板3个PART，窗框采用SOLID三维实体单元建模，厚度为4cm，网格大小为2cm，玻璃为SHELL单元建模，加固方式为在窗户内侧安装防爆膜。防爆膜厚度为1mm，网格大小为2cm。防爆膜与窗框固定连接。

3 材料

玻璃采用塑性随动材料模型，弹性模量 5.5×104MPa，密度 2550kg/m3，泊松比0.18，材料屈服强度为60MPa。同时采用关键字MAT_ADD_EROSION模拟玻璃的破碎效果，定义失效应变为0.02。窗框选用弹塑性模型，密度为2770kg/m3，弹性模量为 7×104MPa，泊松比为0.33。防爆膜采用弹塑性模型，质量密度为1700kg/m3，弹性模量为1200MPa，泊 松 比 0.3，屈 服 强 度120MPa，同时防爆膜也采用MAT_ADD_EROSION模拟破坏效果，定义失效应变为0.02。

4 荷载施加方式和边界条件

在不需要考虑炸药类型等情况下，采用CONWEP模型半经验法实现爆炸荷载的施加，采用CONWEP模型半经验法由于不用建立真实炸药，能够减少计算时间，简单便捷。通过定义爆炸冲击波模拟实际爆炸荷载，冲击波综合考虑了入射压力和反射压力，爆炸冲击波的定义需要考虑炸药量、起爆位置以及炸药成分。通过定义关键字LOAD_BLAST来施加爆炸荷载，爆炸选用2.3kg、4.5kg和9.0kg炸药，位置为距离窗户中心包括贴爆、1m、2m和10m，防爆膜厚度考虑1mm、3mm和5mm。玻璃与窗框之间的连接方式为共节点，窗框外围边界条件为固定边界，防爆膜与窗框连接方式为固定。

5 计算结果

5.1 防爆膜防护计算结果

5.1.1 破坏形态

根据计算结果可知，在爆炸荷载作用下，随着爆炸比例距离的不断增大，玻璃发生破碎并发生飞溅现象。防爆膜能够有效防止飞溅现象的发生。

①不同炸药量

图1 模型示意图

图2 爆炸荷载作用下（1m炸药2.3kg）防爆膜和窗框响应

图3为爆炸比例距离是0.606m/kg1/3时窗户整体破坏情况，铝合金窗框最大应力为306MPa，防爆膜迎爆面变形约为22.2cm，变形范围也是呈现中间大两边小的趋势。

图3 爆炸荷载作用下（1m炸药4.5kg）防爆膜和窗框响应

图4为爆炸比例距离是0.481m/kg1/3时窗户整体破坏情况，防爆膜已经发生结构性破坏，铝合金窗框最大应力为278MPa，相对于爆炸比例距离为0.606m/kg1/3时，最大应力有所增加，此时防爆膜在与铝合金窗框连接处发生破坏，爆炸冲击能量在连接处释放。

图4 爆炸荷载作用下（1m炸药9.0kg）防爆膜和窗框响应

②不同爆炸距离

图5为爆炸距离为4.71m/kg1/3时窗户整体损伤情况，此时玻璃并没有发生结构性损伤，玻璃在与铝合金窗框连接处应力较大，最大应力约为14.6MPa；铝合金窗框在支撑与窗框交接处应力较大，最大应力约为50.6MPa。此时，防爆膜承受的爆炸冲击荷载较小。

图5 爆炸荷载作用下（10m炸药4.5kg）防爆膜和窗框响应

当爆炸距离为3.02m/kg1/3时此时玻璃并没有发生结构性损伤，玻璃在与铝合金窗框连接处应力较大，最大应力约为58.5MPa；铝合金窗框在支撑与窗框交接处应力较大，最大应力约为91.5MPa。此时，防爆膜承受的爆炸冲击荷载较小。

当爆炸距离为0.943m/kg1/3时玻璃和窗框均已发生明显损伤，玻璃已经脱离窗框发生脱离，由于防爆膜的防护作用，玻璃碎片没有发生飞溅。此时，防爆膜承受较大的爆炸冲击荷载，防爆膜应力主要集中在中间部位呈十字形分布，最大应力约为43.7MPa，此时防爆膜无明显损伤。

图6 爆炸荷载作用下（5m炸药4.5kg）防爆膜和窗框响应

③不同防爆膜厚度

图8为爆炸比例距离是0.606m/kg1/3时（炸药4.5kg，距离1m）防爆膜应力和变形情况，由图可知，当防爆膜厚度为1mm时，防爆膜最大变形为22.2cm，防爆膜最大应力为120MPa；当防爆膜厚度为3mm时，防爆膜最大变形为2.4cm，防爆膜最大应力为8.6MPa；当防爆膜厚度为5mm时，防爆膜中间部位最大变形为1.78cm。随着防爆膜厚度的不断增加，防爆膜应力逐渐减小，防爆膜变形逐渐增大。

5.2 压强—时间曲线

当爆炸距离为1m时，在不同爆炸比例距离作用下，防爆膜迎爆面承受的冲击压强并不相同，图7给出了爆炸冲击荷载作用下防爆膜中心压强—时间曲线。由图7(a)可知，随着炸药量的不断增大，防爆膜承受的冲击压力逐渐增大。当炸药量为2.3kg和4.5kg时，防爆膜迎爆面主要承受正压强，最大分别为42.8MPa和 79.2MPa；当炸药量为9.0kg时，防爆膜承受的正压和负压最大约为80MPa。

图7 爆炸荷载作用下（2m炸药4.5kg）防爆膜和窗框响应

5.3 变形—时间曲线

图10给出了不同炸药量和爆炸距离对防爆膜的防护效果。由图8（a）给出了爆炸距离为1m时，不同炸药量变形—时间曲线。随着炸药量的逐渐增大，防爆膜沿着爆炸冲击方向变形逐渐增大，对于炸药量为9kg和4.5kg，会出现迎爆面方向变形逐渐减小的情况，主要原因在于此时防爆膜背爆面压强逐渐增大，因此，沿着迎爆面变形逐渐减小。图8（b）给出了炸药量为4.5kg时，不同爆炸距离变形—时间曲线。随着距离的逐渐增大，迎爆面防爆膜变形逐渐减小，对于贴爆和爆炸距离为1m的情况，变形均发生沿着迎爆面逐渐减小的情况。

图8 爆炸荷载作用下（1m炸药4.5kg）防爆膜应力和变形大小

图9 爆炸荷载作用下防爆膜压强—时间曲线

图10 爆炸荷载作用下防爆膜变形—时间曲线

6 效果评价

《玻璃幕墙和门窗防爆炸冲击波性能分级及检测方法》(GB/T29908-2013)[5]中要求可知，见表1所示，玻璃和门窗允许破坏情况与危险等级相关，危险等级划分详见《玻璃幕墙和门窗防爆炸冲击波性能分级及检测方法》(GB/T29908-2013)4.4中分类方法。

危险等级 表1

结合上述铝合金窗框在爆炸冲击波荷载作用的破坏方式和加固效果，以及爆炸作用下玻璃幕墙和门窗的允许破坏程度的要求可知，对于上述加固后的铝合金窗户，当危险程度为D级以上时，玻璃发生破碎后，防爆膜能够较好地控制碎片飞溅进入室内。采用的加固方式均可以有效地避免玻璃碎片飞溅伤人。

7 研究结论

考虑爆炸距离、炸药量以及防爆膜厚度参数的影响，建立了防爆膜加固铝合金窗户抗爆分析模型，研究结果表明，防爆膜加固建筑窗户效果较好，能有效减少飞溅伤害，本文分析结果可为建筑玻璃抗爆鉴定提供参考。