爆炸沖擊荷載下玻璃幕墻建筑抗爆研究

玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)構(gòu)件，最先受到爆炸沖擊荷載的作用，因而其抗爆性能將直接影響整個建筑物的安全性。研究表明，爆炸沖擊波作用到建筑玻璃上，75%的人員傷亡由是高速飛行的玻璃碎片所直接造成的，而沖擊波透過玻璃裂縫進(jìn)入室內(nèi)又會間接造成人員傷亡。在這種情況下，抗爆玻璃研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。抗爆玻璃多選用夾層玻璃、中空玻璃或者幾種基本型式合成的復(fù)合玻璃，在材料方面多采用鋼化玻璃或者其它新型材料玻璃等。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)于抗爆玻璃在靜荷載、風(fēng)荷載及地震荷載的相關(guān)研究已趨于成熟，但其在沖擊荷載作用下的研究在很多方面還有待完善。文中對爆炸沖擊荷載作用下的玻璃幕墻建筑的抗暴研究現(xiàn)狀做了一個較全面的綜述。
　　
　　1.玻璃幕墻抗爆研究與分析方法
　　
　　應(yīng)力波作用于構(gòu)件會使其內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力區(qū)域并發(fā)生局部破壞，最終導(dǎo)致其承載力能力嚴(yán)重降低，因而考慮應(yīng)力波在構(gòu)件內(nèi)的傳播特性是至關(guān)重要的。
　　
　　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。

　　1.1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)原理對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。目前，國內(nèi)還沒有相關(guān)技術(shù)和規(guī)范介紹玻璃幕墻的抗暴計(jì)算方法，但有時又需要定量的計(jì)算來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確與否。為此，常采用簡化的分析方法以此得到比較合理的分析結(jié)果，其簡化如下: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)行簡化;③可以考慮用直線來代替沖擊波隨時間的變化過程，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間)。
　　
　　基于上述簡化計(jì)算準(zhǔn)則，己有很多研究學(xué)者將玻璃幕墻簡化成等效單自由度模型。Krauthamruer和Altenberg曾采用單自由度模型對爆炸沖擊波負(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力理論對其性能進(jìn)行研究。高軒能等采用彈性薄板振動理論研究了框支承玻璃在爆炸沖擊荷載下的動力響應(yīng)及防爆距離。雖然解析方法以較為簡潔的形式給出有關(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)用中會受到很大的限制，只能運(yùn)用到極少數(shù)簡單問題中。
　　
　　1.2實(shí)驗(yàn)方法
　　
　　通過開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)。基于實(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，但是隨著對沖擊問題的深入研究，該方法己無法達(dá)到計(jì)算精度的要求。
　　
　　1.3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問題:①沒有考慮爆炸荷載和幕墻結(jié)構(gòu)的流固禍合計(jì)算;②對玻璃與周圍部件連接作用進(jìn)行了諸多簡化，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。針對上述問題，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題中正發(fā)揮著日益重要的作用。
　　
　　2爆炸沖擊荷載下玻璃幕墻的性能研究
　　
　　國外對爆炸沖擊荷載下玻璃幕墻性能的研究大多集中于抗爆玻璃的破壞強(qiáng)度、玻璃尺寸、動力響應(yīng)、荷載作用時間、玻璃板的支撐邊界條件及動力響應(yīng)等方面，而國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段。

2.1玻璃強(qiáng)度
　　
　　玻璃在常溫下是一種典型的脆性材料，一直到破壞為止，其應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系。玻璃表面存在著無數(shù)微裂紋，在拉應(yīng)力作用下，當(dāng)微裂紋尖端處的應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時，裂紋迅速分裂，最終導(dǎo)致玻璃斷裂。玻璃的理論強(qiáng)度約為1x1010一1.5x1Q'0Pa加2而實(shí)際的強(qiáng)度要比理論強(qiáng)度低得多，與理論強(qiáng)度相差2一3個數(shù)量級。這是由于玻璃的脆性和其表面存在微裂紋、內(nèi)部存在不均勻區(qū)域和缺陷所引起的的應(yīng)力集中造成的。玻璃的高強(qiáng)度意味著安全性，為了提高其實(shí)際強(qiáng)度，可采用：退火、鋼化)、表面處理與涂層、微晶化、與其他材料制成復(fù)合材料等方法。
　　
　　2.2玻璃尺寸
　　
　　小尺寸玻璃的強(qiáng)度一般要高于大尺寸玻璃強(qiáng)度，主要是因?yàn)椴ＡС叽缭叫∑浔砻婧蛢?nèi)部存在缺陷的幾率越低，抵抗荷載和沖擊波的能力越強(qiáng)。故在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)嚴(yán)格控制玻璃面板的尺寸，不宜使其過大。顏衛(wèi)亨等采用有限元分析方法，比較了不同尺寸的玻璃幕墻在爆炸荷載作用下的反應(yīng)。
　　
　　2.3荷載作用時間
　　
　　玻璃在長期荷載作用下，玻璃裂紋會發(fā)生擴(kuò)展，直接導(dǎo)致承載能力的降低;玻璃在動力荷載作用下，玻璃產(chǎn)生的最大位移隨著作用時間的增加而增加，當(dāng)無法滿足撓度要求時，玻璃發(fā)生破壞。高軒能等采用有限元分析法對夾層玻璃在短期、一氏期靜力和爆炸沖擊荷載作用下的變形進(jìn)行了模擬分析，并在趙西安研究基礎(chǔ)上對夾層玻璃的等效厚度計(jì)算公式進(jìn)行了補(bǔ)充。
　　
　　2.4支撐邊界條件
　　
　　在玻璃幕墻抗暴設(shè)計(jì)過程中，選用不同的邊界條件對結(jié)果有很大的影響。應(yīng)根據(jù)玻璃的真實(shí)受力情況，合理選擇玻璃面板的邊界條件。weggel和Zapata通過兩種不同邊界支撐條件的矩形玻璃板在低速爆炸荷載作用下的研究，得出周圍具有橡膠墊圈彈性框支撐的玻璃面板其最大拉應(yīng)力較普通簡易支撐的玻璃面板可以折減42%一71%。
　　
　　2.5動力響應(yīng)
　　
　　建筑玻璃在爆炸沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)問題屬于典型的動力學(xué)問題，動力學(xué)問題與靜力學(xué)問題主要存在兩個不同點(diǎn):①動力學(xué)問題要考慮時間變化因素;②在動力分析的過程中要考慮慣性力效應(yīng)。當(dāng)在高應(yīng)變率的動力荷載作用下，還要考慮應(yīng)變率效應(yīng)。美國ArmyCorpsofEngineers采用單自由度法得到了彈勝響應(yīng)譜曲線和彈塑性響應(yīng)譜曲線，通過查圖能夠快速地得到建筑玻璃在沖擊荷載作用下的最大動位移。
　　
　　3.抵抗炸彈沖擊波建筑幕墻的設(shè)計(jì)
　　
　　建筑玻璃幕墻的抗爆炸設(shè)計(jì)主要是防范遠(yuǎn)距離炸彈(藥)產(chǎn)生的空氣沖擊波對建筑物的破壞。建筑玻璃幕墻的抗暴設(shè)計(jì)旨在最大限度的減少爆炸沖擊波超高荷載和高速飛濺的玻璃碎片所造成的直接傷害，并減少受攻擊設(shè)施或爆炸中心周圍設(shè)施的修復(fù)費(fèi)用。在具體設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)達(dá)到以下兩個要求:①玻璃有足夠的強(qiáng)度來承受較大當(dāng)量的爆炸襲擊;②受到爆炸沖擊作用后，玻璃能夠較完好地保持在框架內(nèi)。
　　
　　目前，美國有兩個玻璃抗爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):UFC4一010一OI標(biāo)準(zhǔn)10和ASTMF2248一03標(biāo)準(zhǔn)。UFC標(biāo)準(zhǔn)是一個簡化的設(shè)計(jì)方法，ASTMF比UFC能夠適應(yīng)更大的爆炸威助·的抗爆設(shè)計(jì)。在我國，還沒有正式的抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范和準(zhǔn)則，但在一些重要的工程項(xiàng)目中都有考慮到這方面的問題。常規(guī)的玻璃幕墻抗爆炸設(shè)計(jì)往往難以滿足實(shí)際要求，這是由于:①爆炸荷載的量級、位置、概率具有不確定性;②爆炸荷載作用時間短暫，整個過程以毫秒計(jì)算;③爆炸荷載作用大，其強(qiáng)度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它災(zāi)害(風(fēng)、地震等)。爆炸沖擊波荷載的上述特點(diǎn)使得整個動力過程變得非常復(fù)雜。
　　
　　因而，常從概念性設(shè)計(jì)方面來進(jìn)行:
　　
　　(1)玻璃面板宜采用高強(qiáng)玻璃和抗爆玻璃以增強(qiáng)對沖擊波的抵抗能力并減小玻璃碎片對室內(nèi)人員的傷害。
　　
　　(2)采用柔性較好的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在變形過程中會吸收部分爆炸產(chǎn)生的能量，這使其對結(jié)構(gòu)的破壞大大降低。復(fù)合結(jié)構(gòu)體系較單一的玻璃材料和結(jié)構(gòu)有更好的耗能效果。
　　
　　(3)合理選用玻璃面板尺寸，采用防爆性能良好的玻璃框架。面板尺寸過小會使工期延長并影響建筑物的外型;而尺寸過大則會由于玻璃自身的缺陷而減小玻璃抵抗沖擊荷載的能力，并增加了破壞后的維修費(fèi)用。防爆性好的玻璃框架能在爆炸發(fā)生時對玻璃有充分的約束，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的防爆性能。
　　
　　(4)設(shè)置防爆墻，防爆墻能阻擋沖擊波作用并且在變形過程中能吸收爆炸產(chǎn)生的能量。在設(shè)計(jì)允許的情況下，應(yīng)盡量將防爆墻設(shè)在遠(yuǎn)離目標(biāo)構(gòu)筑的地方，即擁有足夠遠(yuǎn)的安全距離。一般來說，安全距離每增加一倍，爆炸荷載沖擊減少為3-8成。
　　
　　(5)改善周圍環(huán)境設(shè)置，例如:應(yīng)盡量減少周圍垃圾桶的數(shù)量，垃圾捅經(jīng)常是炸藥的投擲點(diǎn)之一;采用塑性較好的地面，通過地面的變形成坑達(dá)到耗能效果同樣能降低沖擊波對玻璃幕墻的破壞。
　　
　　4.結(jié)語
　　
　　目前為止，在我國境內(nèi)尚米發(fā)生針對玻璃建筑的恐怖爆炸襲擊事件，但還是應(yīng)該提高防范意識，做好防范措施，防止大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。文中介紹了玻璃幕墻抗暴研究與分析的三種方法并簡要概括了國內(nèi)外目前針對其在爆炸荷載下的性能研究，最后介紹了一些切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法。