爆炸冲击荷载下玻璃幕墙建筑抗爆研究

玻璃幕墙作为建筑的外围护构件，最先受到爆炸冲击荷载的作用，因而其抗爆性能将直接影响整个建筑物的安全性。研究表明，爆炸冲击波作用到建筑玻璃上，75%的人员伤亡由是高速飞行的玻璃碎片所直接造成的，而冲击波透过玻璃裂缝进入室内又会间接造成人员伤亡。在这种情况下，抗爆玻璃研究成为人们关注的热点。抗爆玻璃多选用夹层玻璃、中空玻璃或者几种基本型式合成的复合玻璃，在材料方面多采用钢化玻璃或者其它新型材料玻璃等。通过查阅国内外相关文献，发现关于抗爆玻璃在静荷载、风荷载及地震荷载的相关研究已趋于成熟，但其在冲击荷载作用下的研究在很多方面还有待完善。文中对爆炸冲击荷载作用下的玻璃幕墙建筑的抗暴研究现状做了一个较全面的综述。
　　
　　1.玻璃幕墙抗爆研究与分析方法
　　
　　应力波作用于构件会使其内部产生复杂的应力区域并发生局部破坏，最终导致其承载力能力严重降低，因而考虑应力波在构件内的传播特性是至关重要的。
　　
　　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。

　　1.1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。
　　
　　1.2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。
　　
　　1.3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。
　　
　　2爆炸冲击荷载下玻璃幕墙的性能研究
　　
　　国外对爆炸冲击荷载下玻璃幕墙性能的研究大多集中于抗爆玻璃的破坏强度、玻璃尺寸、动力响应、荷载作用时间、玻璃板的支撑边界条件及动力响应等方面，而国内在这方面的研究还处于起步阶段。

2.1玻璃强度
　　
　　玻璃在常温下是一种典型的脆性材料，一直到破坏为止，其应力应变呈线性关系。玻璃表面存在着无数微裂纹，在拉应力作用下，当微裂纹尖端处的应力超过临界应力时，裂纹迅速分裂，最终导致玻璃断裂。玻璃的理论强度约为1x1010一1.5x1Q'0Pa加2而实际的强度要比理论强度低得多，与理论强度相差2一3个数量级。这是由于玻璃的脆性和其表面存在微裂纹、内部存在不均匀区域和缺陷所引起的的应力集中造成的。玻璃的高强度意味着安全性，为了提高其实际强度，可采用：退火、钢化)、表面处理与涂层、微晶化、与其他材料制成复合材料等方法。
　　
　　2.2玻璃尺寸
　　
　　小尺寸玻璃的强度一般要高于大尺寸玻璃强度，主要是因为玻璃尺寸越小其表面和内部存在缺陷的几率越低，抵抗荷载和冲击波的能力越强。故在实际运用中应严格控制玻璃面板的尺寸，不宜使其过大。颜卫亨等采用有限元分析方法，比较了不同尺寸的玻璃幕墙在爆炸荷载作用下的反应。
　　
　　2.3荷载作用时间
　　
　　玻璃在长期荷载作用下，玻璃裂纹会发生扩展，直接导致承载能力的降低;玻璃在动力荷载作用下，玻璃产生的最大位移随着作用时间的增加而增加，当无法满足挠度要求时，玻璃发生破坏。高轩能等采用有限元分析法对夹层玻璃在短期、一氏期静力和爆炸冲击荷载作用下的变形进行了模拟分析，并在赵西安研究基础上对夹层玻璃的等效厚度计算公式进行了补充。
　　
　　2.4支撑边界条件
　　
　　在玻璃幕墙抗暴设计过程中，选用不同的边界条件对结果有很大的影响。应根据玻璃的真实受力情况，合理选择玻璃面板的边界条件。weggel和Zapata通过两种不同边界支撑条件的矩形玻璃板在低速爆炸荷载作用下的研究，得出周围具有橡胶垫圈弹性框支撑的玻璃面板其最大拉应力较普通简易支撑的玻璃面板可以折减42%一71%。
　　
　　2.5动力响应
　　
　　建筑玻璃在爆炸冲击荷载作用下的动力响应问题属于典型的动力学问题，动力学问题与静力学问题主要存在两个不同点:①动力学问题要考虑时间变化因素;②在动力分析的过程中要考虑惯性力效应。当在高应变率的动力荷载作用下，还要考虑应变率效应。美国ArmyCorpsofEngineers采用单自由度法得到了弹胜响应谱曲线和弹塑性响应谱曲线，通过查图能够快速地得到建筑玻璃在冲击荷载作用下的最大动位移。
　　
　　3.抵抗炸弹冲击波建筑幕墙的设计
　　
　　建筑玻璃幕墙的抗爆炸设计主要是防范远距离炸弹(药)产生的空气冲击波对建筑物的破坏。建筑玻璃幕墙的抗暴设计旨在最大限度的减少爆炸冲击波超高荷载和高速飞溅的玻璃碎片所造成的直接伤害，并减少受攻击设施或爆炸中心周围设施的修复费用。在具体设计过程中，应达到以下两个要求:①玻璃有足够的强度来承受较大当量的爆炸袭击;②受到爆炸冲击作用后，玻璃能够较完好地保持在框架内。
　　
　　目前，美国有两个玻璃抗爆设计标准:UFC4一010一OI标准10和ASTMF2248一03标准。UFC标准是一个简化的设计方法，ASTMF比UFC能够适应更大的爆炸威助·的抗爆设计。在我国，还没有正式的抗爆设计规范和准则，但在一些重要的工程项目中都有考虑到这方面的问题。常规的玻璃幕墙抗爆炸设计往往难以满足实际要求，这是由于:①爆炸荷载的量级、位置、概率具有不确定性;②爆炸荷载作用时间短暂，整个过程以毫秒计算;③爆炸荷载作用大，其强度通常远远大于其它灾害(风、地震等)。爆炸冲击波荷载的上述特点使得整个动力过程变得非常复杂。
　　
　　因而，常从概念性设计方面来进行:
　　
　　(1)玻璃面板宜采用高强玻璃和抗爆玻璃以增强对冲击波的抵抗能力并减小玻璃碎片对室内人员的伤害。
　　
　　(2)采用柔性较好的复合结构体系。玻璃幕墙结构在变形过程中会吸收部分爆炸产生的能量，这使其对结构的破坏大大降低。复合结构体系较单一的玻璃材料和结构有更好的耗能效果。
　　
　　(3)合理选用玻璃面板尺寸，采用防爆性能良好的玻璃框架。面板尺寸过小会使工期延长并影响建筑物的外型;而尺寸过大则会由于玻璃自身的缺陷而减小玻璃抵抗冲击荷载的能力，并增加了破坏后的维修费用。防爆性好的玻璃框架能在爆炸发生时对玻璃有充分的约束，增强了整个系统的防爆性能。
　　
　　(4)设置防爆墙，防爆墙能阻挡冲击波作用并且在变形过程中能吸收爆炸产生的能量。在设计允许的情况下，应尽量将防爆墙设在远离目标构筑的地方，即拥有足够远的安全距离。一般来说，安全距离每增加一倍，爆炸荷载冲击减少为3-8成。
　　
　　(5)改善周围环境设置，例如:应尽量减少周围垃圾桶的数量，垃圾捅经常是炸药的投掷点之一;采用塑性较好的地面，通过地面的变形成坑达到耗能效果同样能降低冲击波对玻璃幕墙的破坏。
　　
　　4.结语
　　
　　目前为止，在我国境内尚米发生针对玻璃建筑的恐怖爆炸袭击事件，但还是应该提高防范意识，做好防范措施，防止大量的人员伤亡和财产损失。文中介绍了玻璃幕墙抗暴研究与分析的三种方法并简要概括了国内外目前针对其在爆炸荷载下的性能研究，最后介绍了一些切实可行的设计方法。