建筑中水平承重玻璃的耐火性能試驗分析

詹子娜，南化祥，顧廣悅，梁孟羽，端木祥玲，李 龍

(中國建筑科學研究院建筑防火研究所，北京 100030)

隨著建筑行業的蓬勃發展，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境考慮,現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、耐久性和優良的力學性能，玻璃從傳統的非結構材料(門窗、幕墻和采光頂)發展到最新的結構材料(如玻璃地板、樓梯和墻體)。如大型火車站、圖書館、觀賞塔、綜合商業樓內局部樓板、樓梯均采用了玻璃構件。

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度和穩定性要求，更要達到一定的耐火要求，以滿足人員的安全疏散。但目前我國針對玻璃承重樓板構造的防火研究較少[3,4]，也沒有相應的規范作為設計依據，在設計時往往簡單的采用鋼化玻璃或防火玻璃進行設計，玻璃承重樓板在火災下能否保障人員的疏散安全條件有待進一步的研究分析。該文通過水平鋼化玻璃在高溫中的抗彎性能試驗分析，提出一種玻璃承重樓板框架結構，進行了試驗分析和驗證，為后期建筑內玻璃樓板的消防安全設計提供一些指導。

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，經過試驗驗證，鋼化玻璃可承受的溫度突變范圍為300 ℃左右[5,6]，發生火災時，一般在5～8 min時就會炸裂，如單獨使用鋼化玻璃作為承重樓板很難到達相關規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要求和規范主要是針對垂直非承重玻璃的，利用現有的技術規范無法滿足其耐火極限試驗檢測要求。

1.1 實驗方案

為科學合理的評估水平鋼化玻璃高溫下溫度場分布，該文參考《玻璃材料彎曲強度試驗方法》(JC/T676—1997)中水平玻璃載重試驗裝置，結合試驗加溫要求，研發了單面水平玻璃高溫下加載的控制試驗爐。該爐為柱形的立體對開式結構，爐膛內徑300 mm，高400 mm，爐體下部設置的直徑為160 mm的高強保溫爐體，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，該次試驗最高溫度為300 ℃。試驗的設備包括支撐裝置、加載裝置、測位移裝置、測應變裝置和數據采集裝置。具體結構如圖1所示。

試驗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，根據常溫下試驗機的加載原理及加載部位的尺寸，定制了該試驗的壓頭。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據。溫度數據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，連接數據采集儀采集溫度數據。該試驗采用穩態試驗。結合玻璃的傳熱過程和承重要求，該次試驗選用尺寸120 mm×20 mm的試件，厚度為12 mm進行兩組實驗，試件達到爐溫恒定溫度后恒溫15 min，12 mm試件達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 高溫下鋼化玻璃強度試驗分析

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生是因為在電熱爐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，在試件破壞時位移達到最大。

12 mm厚鋼化玻璃強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，強度都有所降低。溫度升高到300 ℃后，12 mm厚鋼化玻璃的強度降低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)從玻璃破壞的結構紋理來看，玻璃內部結構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性。整體上，鋼化玻璃破壞碎片小而規則，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分析

2.1 結構框架體系

玻璃承重樓板構造是指由玻璃樓板、框架龍骨、密封材料和其他配件組成的整個水平系統。在火災下，任何一構件被破壞都會導致整個系統使用功能的喪失。目前對非承重防火玻璃框架系統的構造設計已經出臺了相關規定，但水平承重防火玻璃的構造設計尚無依據可循。

2.2 試驗模型和條件

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，每個單元四周設置400 mm厚工字鋼承重支撐。每側工字鋼腹板上開敞，便于中間空氣層的高溫熱氣的對流散熱，以降低高溫熱氣對上層鋼化玻璃的影響。

2.2.2 荷載加載方式

承重的組合玻璃樓板實際使用中，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的標準防火砌塊進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 火源設定

該次試驗選用的是《建筑構件耐火試驗方法》(GB/T 9978.1—2008)中規定的標準升溫曲線進行實體實驗，即ISO834標準溫度曲線進行。其表達式為

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

式中，T0為垂直試驗燃燒爐內的初始溫度，℃；T為燃燒開始后在tmin時刻時水平試驗燃燒爐內的平均溫度，℃。

2.3 玻璃框架抗火安全性分析

2.3.1 實驗現象

試驗過程進行10 min、30 min時試驗現象如圖6、圖7所示。

通過試驗現象可知，在1 min 35 s的時候鋼化玻璃周邊開始起泡，3 min時下層防火膠起泡，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，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時下層繼續發紅、炭化，但是沒有破裂。試驗做至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空間，構造結構由于周圍框架結構未密封，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環境中，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時到達280 ℃，上層由于與外界空氣直接接觸，表面溫度最高達到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明顯的下沉變形，已出現很大的安全風險。

3 結 論

a.根據水平玻璃樓板實際使用和設計的需求，重點分析了常用厚度12 mm鋼化玻璃樓板在高溫下強度、位移降低的影響，高溫對鋼化玻璃強度影響較大，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水平系統。

3)通過標準火災實體試驗發現，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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