建筑玻璃幕墻抗爆性能研究

吳伯海

摘 要：隨著我國現代化經濟的快速發展和人們生活水平的日益提高，國內的高層建筑物也一幢接一幢的在人們的視線中誕生。人們對建筑物的要求也越來越高，玻璃幕墻不僅呈現出了防風、遮雨、采光、隔熱等多項優勢，玻璃幕墻作為一種高品質的外圍護室外裝飾結構，集建筑功能、建筑技術和藝術與一體，以其個性、美觀、視覺沖擊力來迎合人們挑剔的眼光。在施工當中，人們不免要考慮很多抗爆炸的因數，確保玻璃幕墻能抵擋各種未知的襲擊。筆者根據多年的工作經驗，主要針對建筑玻璃幕墻抗爆性能進行分析和討論。

關鍵詞：城市建設；玻璃幕墻；抗爆

一、玻璃幕墻常用的抗爆材料

玻璃幕墻作為整個建筑的外圍結構，它的抗爆能力直接關系到建筑樓的命脈。若幕墻玻璃在遇到震動時，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大動力的碎片。若玻璃在受到強大的沖擊時，可以完好無損，那么沖擊波便很難越過玻璃進入室內，這樣，室內的人和財物都可以免受其害，同時也可以避免室內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

鋼化玻璃因為其很高的硬度和強度，常被廣泛用于高層建筑物當中。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物，由于其溫度變化太快，外部遇冷快速固化，內部來不及反應，只能慢慢冷卻，如此使玻璃表面產生的應壓力提高了玻璃的強度，一般比普通玻璃的機械強度要高3 到5 倍，內部的張應力提高了玻璃的耐熱性和穩定性。如此，鋼化玻璃便可以承受一定范圍內的外來撞擊和溫差變化，并且，遇到過大的撞擊力，不會肆意飛濺，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度高和耐熱穩定性高兩大優點，安全性能高也是不容小覷的。

2、高強度單片防火玻璃

通過將浮法玻璃進行高溫煅燒，用特殊化學物質處理，使玻璃表面的金屬鈉經過二十幾個小時的替換，便形成了單片防火玻璃。既然是防火玻璃，毋庸置疑，當然具有很好的防火功效，它可以長時間在高達10000℃的火焰中保持原樣。同樣的厚度，高強度單片防火玻璃的強度是浮法玻璃的6到12倍。如果遇到爆炸事故，它可以延長人們在緊急情況下撤離現場的時間，同樣也為救援工作爭取了時間。

3、防炸彈玻璃

爆炸襲擊與其他類型的災害（如地震、大風等）相比具有明顯的特點。近距離爆炸作用于建筑物的沖擊波荷載非常高，有時會比建筑物本身的設計荷載高出幾個數量級，可導致建筑物產生嚴重的破壞。防炸彈玻璃是目前我國生產出來的功能最安全的玻璃之一。它可以有效抵擋爆炸產生的沖擊波、高溫火焰產生的熱沖擊波和子彈沖擊波。玻璃幕墻的抗爆防護主要是針對爆炸所產生的急劇膨脹性沖擊波和巨大震動，要想抗得住炸彈襲擊的巨大威力，玻璃必須經得起各種沖擊波和碎片攻擊的破壞效應。

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入一些重要區域，保護藝術品不被破壞。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計根本上解決這個問題。

5、幕墻龍骨

炸彈爆炸是一個復雜的物理、化學反應變化的過程，爆炸裝置可視為一個承受內壓等于爆轟壓力的容器，當壓力超過殼體的屈服強度時，殼體產生拉伸或剪切破壞，爆炸便發生了。爆炸時能釋放出大量的熱并能生成大量的氣體產物，在極短的時間內和有限的空間里釋放出巨大的能量。幕墻龍骨一般選擇強度較高的鋼材，滿足爆炸時產生的峰值壓力，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、實驗方法和數值模擬分析法。

1、解析方法

通常是采用基本的應力波理論、材料力學、固休力學、彈塑性力學和能量原理等基本力學原理對結構進行分析。目前，國內還沒有相關技術和規范介紹玻璃幕墻的抗暴計算方法，但有時又需要定量的計算來驗證設計的正確與否。為此，常采用簡化的分析方法以此得到比較合理的分析結果，其簡化如下：①根據爆炸力的特征，幕墻的支撐結構可以考慮按照彈塑性力學進行分析；②框架構件和豎權、橫嵋等配件的受力采用靜荷載的方法進行簡化；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為標準大氣壓AP+為沖擊波超壓；t+為沖擊波正壓作用時間）。

基于上述簡化計算準則，己有很多研究學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壓在玻璃面板上的作用效應進行了分析。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及防爆距離。雖然解析方法以較為簡潔的形式給出有關物理量之間的關系，但是由于爆炸空氣沖擊波荷載、材料本構關系和邊界條件的復雜性，在實際應用中會受到很大的限制，只能運用到極少數簡單問題中。

2、實驗方法

通過開展足尺寸的沖擊波實驗，可以觀察到玻璃幕墻在真賣爆炸沖擊荷載下的反應。基于實驗數據的綜合分析，可以得到其真實的抗爆性能。常用的玻璃爆炸沖擊波實驗方法一般有兩種：①距離實驗，試驗組件對己知特性炸藥的沖擊承受能力；②激振管實驗，在特意建造的小室內瞬間釋放高壓氣流產生沖擊波。實際工程中常選用距離實驗方法，該方法簡便，并在一定程度上滿足了工程需要。陳峻等采用距離實驗方法對玻璃幕墻進行了沖擊波試驗，并具體介紹了距離實驗的實施方法。雖然實驗研究真實再現了構件在真實荷載下的性能，但是隨著對沖擊問題的深入研究，該方法己無法達到計算精度的要求。

3、數值模擬分析法

數值模擬分析法避免了實驗方法的危險性和昂貴性，其靈活性和可重復性加快了設計周期，降低了設計成本。在抗爆結構動力分析中，常用的抗爆分析軟件有以下種：ABAQUS.LS一DYNAIDYNA3D和AUTODYNA等。目前，傳統數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構的流固禍合計算；②對玻璃與周圍部件連接作用進行了諸多簡化，分析模型多僅限于玻璃面板。這使得模擬結果難以真實反應復雜幕墻系統中玻璃的爆炸響應情況。針對上述問題，鄧榮兵等利用罰函數，用ALE有限元法進行了爆炸荷載與幕墻結構禍合作用的三維動態仿真。隨著計算機技術的不斷發展以及計算方法的逐步改進，數值模擬分析法在解決爆炸問題中正發揮著日益重要的作用。

結束語

近年來，針對建筑物的恐怖爆炸襲擊不斷發生，使得抗爆玻璃研究成為人們關注的熱點。玻璃幕墻是這類建筑常用的外墻，玻璃幕墻結構在風荷載、自重和地震作用下的結構設計相對比較成熟，但是在爆炸沖擊荷載作用下的設計理論及設計方法的研究，目前相對滯后。因此，研究玻璃幕墻結構在爆炸沖擊荷載作用下的動力相應，具有非常重要的理論及工程應用價值。

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