玻璃幕墙抗爆简化分析与设计概述

玻璃幕墙抗爆简化分析与设计概述

李娜

广州江河幕墙系统工程有限公司广东广州511340

摘要：幕墙是高品质的室外装饰，伴随科学技术的进步，全球范围的标志性摩天大楼大部分采用，满足了人们不断增长的功能和艺术需求。因为幕墙它是集建筑技术、功能、建筑艺术与一体的具有现代化标志的外围护结构。进入二十一世纪以来，恐怖爆炸袭击不断发生，玻璃幕墙作为建筑结构的围护结构，最先受到爆炸冲击荷载的作用，这对玻璃幕墙的抗爆能力提出了较高的要求。基于此，本文主要对玻璃幕墙抗暴简化分析与设计进行分析探讨。

关键词：玻璃幕墙；抗暴；简化分析；设计概述

1、前言

现在，恐怖分子喜欢袭击大城市中公共的装修豪华、造价不菲的高层玻璃幕墙。作为建筑的外维护结构，随着全球各地的恐怖事件日益增多，玻璃幕墙的抵抗爆炸的能力越来越关系到整个大楼的安全性。

2、建筑玻璃幕墙抗爆简化分析

Mr.DouglasSunshine，Dr.AliAmini，Mr.MarkSwanson指出在爆炸冲击波荷载作用下建筑结构及其构件会产生剧烈响应，在分析中，必须考虑到结构构件的动态性能。采用有限元方法，能够考虑到荷载随时间变化的效应、结构的动态响应效应、材料的非线性特性、大位移效应以及各种响应模式的非线性叠加（比如：剪切和弯曲）效应，能够得到比较精确的分析结果，但是这需要一定的时间和专门的分析人员，因此，对于一般的抗爆炸问题，是不适用的。简化的分析方法能够得到比较合理的分析结果，包括等效单自由度分析法和压力-冲量图分析法。

2.1等效单自由度分析法

在建筑结构及其构件的等效单自由度分析模型中，把质量集中到一个点上，并用弹簧模拟刚度。对于无阻尼的单自由度体系其动力平衡方程如下：

Fe（t）-Key=Medy/dt2（1）

式中：Fe（t）——等效的动态荷载；

Ke——等效刚度；

y——位移；

Me——等效质量；

dy/dt2——加速度。

Biggs指出对真实结构的动荷载、刚度和质量乘以变换系数可以得到等效的荷载、刚度和质量；这些变换系数能够使真实体系和等效体系之间具有相同的随动能、应变能和外部功；梁和板的变换系数随支承和荷载条件而改变。

通过把爆炸冲击波荷载简化，可对单自由度运动方程（1）进行计算求解。在玻璃面板的抗爆分析中，可以采用单自由度的弹性、弹塑性分析方法，得到玻璃面板的最大位移响应，为进一步的应力分析做准备。

2.2压力-冲量图法

对建筑结构或构件进行爆炸破坏评估的一个常用方法是压力-冲量图法。纵轴是爆炸冲击波超压峰值，横轴是爆炸冲击波正压冲量值。图中给出了典型的等破坏线，表示建筑结构或构件破坏的临界值。在压力-冲量图中，等破坏线渐进线把整个图分成冲量荷载区、准静态荷载区和动态荷载区。在等破坏线的冲量受载部分，爆炸荷载持时与结构构件自振周期相比较短，爆炸冲量在结构构件响应中所起的作用是十分重要的，也即在同一个冲量下，峰值压力与持续时间的任意配合，都会产生基本相同的最大变形，这也是小型炸弹爆炸的情况。如果爆炸荷载的持时与结构构件自振周期相比较长，那么峰值压力就控制结构构件的响应，这种情况一般发生在当量较大的爆炸中，也即对于同样的超压峰值有较大的冲量。

压力-冲量图的使用非常方便，尤其是对于非技术人员，因为不需要爆炸冲击波的知识，就可以对爆炸破坏程度进行评估。压力-冲量图分析方法简单明了，作者认为在玻璃面板的抗爆分析中，可以在大量试验或数值模拟的基础上，给出玻璃面板抗爆评估的压力-冲量图，从而为建筑玻璃幕墙的抗爆评估提供一个简单实用的工具。

3、建筑玻璃幕墙抗爆设计

目前，在美国有两个标准用于玻璃抗爆的设计：UFC4-010-01标准10和ASTMF2248-03标准。这两个标准都把夹胶玻璃作为抗爆玻璃，两个标准同时也考虑了玻璃与其支承体系连接的抗爆安全。UFC规定使用6mm夹胶玻璃抵抗发生在一定距离的爆炸，同时规定使用6.89kPa等效静载设计受弯支承构件，使用不小于两倍等效静载的荷载设计连接件。ASTMF2248-03规定使用3-s持时的等效静载并结合ASTME1300-04标准选取夹胶玻璃的厚度用来抵抗设计的爆炸荷载。

3.1UFC玻璃抗爆设计

UFC抗爆设计的目标是：以合理的代价提供一个适当水平的保护来尽量减小由于飞溅的玻璃碎片造成的危害。UFC假定玻璃窗或玻璃幕墙位于安全范围内，即一定的抗爆最小距离被满足。UFC规定使用夹胶玻璃的最小厚度是6mm，用于所有暴露在室外的玻璃幕墙及玻璃门窗。具体地讲，6mm厚的夹胶玻璃包含两个3mm厚的玻璃面板，用0.75mm的PVB粘结在一起。

UFC使用等效静力设计荷载设计支承体系构件和其与主体结构的连接节点。为合理设计所有支承构件，UFC规定等效静载为7.0kPa，施加在玻璃表面上。对于连接节点件的设计，UFC规定等效静载随着玻璃面板面积的大小而改变，见表1.

表1节点设计等效静载表

UFC规范要求在最小的安全距离下，采用两个爆炸当量的荷载进行抗爆设计。在进行玻璃幕墙及玻璃门窗的抗爆设计时，如果设计爆炸威胁的爆炸当量比较大或者爆炸距离比较小，UFC要求进行详细的分析或者爆炸试验。爆炸当量Ⅰ在距建筑物一定的距离发生爆炸，产生的冲击波超压峰值为33kPa，正压阶段冲量为283kPams；爆炸当量Ⅱ在距建筑物一定的距离发生爆炸，产生的冲击波超压峰值为40kPa，正压阶段冲量为205kPams。

最后，UFC规定支承体系构件的设计及节点的设计使用材料的极限强度，若是铝质材料，使用0.2%变形时的屈服强度值。UFC限制侧向挠度为L/60，其中L为支承构件跨长。这个限制要适用于实际的爆炸荷载，或者6.89kPa的等效荷载。使用UFC设计者必须记得其规定下的许多假设和设计所能达到的最小保护程度。使用UFC进行抗爆设计是非常直接的，也是相对比较简单的。

3.2ASTMF2248-03抗爆设计

NorvilleandConrath对玻璃抗爆设计方法做了深入研究，并且所提出的抗爆设计方法被用在ASTMF2248-03中。这个设计方法以爆炸当量、爆距、60-s等效设计荷载为参数，进行夹胶玻璃的抗爆设计。当在ASTMF2248-03中标准化时，等效荷载持时改变为3-s，这样就和ASTME1300-04标准中的设计荷载取得一致。ASTMF2248-03推荐使用等效荷载设计玻璃的支承体系构件和节点，以及玻璃连接件的设计。使用ASTMF2248-03进行抗爆设计，也要参考ASTME1300-04，并按以下步骤进行玻璃幕墙及玻璃门窗的抗爆设计。同时，设计者必须知道玻璃面板的尺寸，爆炸TNT当量及爆距。

3.3两种抗爆设计方法总结

UFC玻璃抗爆设计是一个简化的设计方法。在这个方法中确定了玻璃抗爆的最小抗力，但是爆炸威胁的大小是不知道的。所以这个方法有很重要的价值，尤其是对某些建筑结构的玻璃幕墙设计及玻璃门窗设计，这些建筑结构指的是没有被考虑作为爆炸袭击的目标或者不处在高爆炸威胁风险下的建筑。简单地说，使用6mm后的夹胶玻璃，如果安装良好，在爆炸事件发生时将能提供一定程度的抗爆保护。ASTMF2248-03中抗爆设计方法，要求定义具体的爆炸威胁进行玻璃的抗爆设计。ASTMF2248-03比UFC能够适应更大的爆炸威胁的抗爆设计。

4、结语

目前，对玻璃的抗爆研究是建筑玻璃幕墙及玻璃门窗抗爆研究中的重点，通过对玻璃的抗爆研究，提出了使用夹胶玻璃、贴膜玻璃及采用相应的防护索抗爆体系，不但实现了防止玻璃碎片四处飞溅，而且使玻璃碎片粘结在PVB夹胶或玻璃膜上，进一步阻止了空气冲击波进入室内，防止了更大人员伤亡和财产损失的发生。同时，抗爆设计方法的提出，为爆炸这样一种不确定荷载提供了简单实用的设计方法，可以避免更大的人员伤亡和财产损失。

参考文献：

[1]高涌涛.单元式玻璃幕墙控制荷载分析及整体性能研究[D].西安：长安大学，2006

[2]颜卫亭，李峰.玻璃幕墙结构的抗爆分析.第八届全国现代解耦股工程学术研讨会论文集，2008：721-724