火災(zāi)下玻璃幕墻破裂行為的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.pdf

1、玻璃幕墻是高層建筑最為脆弱的構(gòu)件，在火災(zāi)下極易發(fā)生破裂和脫落。火災(zāi)作用下，玻璃一旦脫落就會(huì)形成新的通風(fēng)口與火蔓延通道，造成轟燃和回燃現(xiàn)象的發(fā)生，并最終導(dǎo)致建筑立體交互火蔓延。因此，玻璃的破裂對(duì)建筑火災(zāi)的發(fā)展和蔓延具有至關(guān)重要的作用，是火災(zāi)安全領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)的、重要的研究課題。本文通過(guò)全尺寸實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論建模等方法對(duì)火災(zāi)下玻璃幕墻的破裂行為進(jìn)行深入研究，揭示其熱力響應(yīng)規(guī)律及微觀動(dòng)力過(guò)程，旨在為玻璃幕墻防火保護(hù)優(yōu)化方案和建筑防火提供理

2、論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　本文首先通過(guò)16組全尺寸實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究了明框、豎明橫隱、橫明豎隱和全隱框玻璃幕墻在火災(zāi)條件下的破裂特性和規(guī)律?；诓Ａ屏褧r(shí)間、表面溫度、總熱流、裂紋起裂和擴(kuò)展途徑等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)不同種類框支撐玻璃進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)半隱框玻璃幕墻受到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和火源形態(tài)的影響，具有較好的防火性能。對(duì)于隱框玻璃幕墻，火源的位置變化將會(huì)顯著改變其火災(zāi)破裂特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)在開(kāi)放空間下玻璃與火源之間的傳熱模式以輻射

3、傳熱為主，并確定了鍍膜玻璃在真實(shí)火場(chǎng)中破裂的臨界條件。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度作為邊界條件對(duì)玻璃加載，利用自行研發(fā)的有限單元軟件成功預(yù)測(cè)玻璃的破裂時(shí)間、應(yīng)力場(chǎng)、裂紋起裂位置和擴(kuò)展，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。結(jié)果表明玻璃邊框溫度差造成的內(nèi)部應(yīng)力是框支撐玻璃幕墻破裂的主要原因，因此裂紋均起裂于邊框應(yīng)力最大處，從而揭示了不同安裝方式下框支撐玻璃幕墻的破裂機(jī)制。
　　通過(guò)24組全尺寸實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究了點(diǎn)支撐玻璃幕墻破裂、脫落的特性和規(guī)律。

4、基于破裂脫落關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)比分析不同安裝方式下點(diǎn)支撐玻璃的防火性能變化規(guī)律。結(jié)果表明，支撐點(diǎn)位置變化對(duì)點(diǎn)支撐玻璃幕墻的熱響應(yīng)具有顯著影響:玻璃脫落所需的時(shí)間隨著支撐點(diǎn)與水平或垂直中心線距離的減小而逐漸減小;支撐點(diǎn)位置在水平方向上的變化對(duì)玻璃防火性能的影響比豎直方向更加顯著。此外，點(diǎn)支撐玻璃的破裂脫落行為可分為三類，但均發(fā)生在燃料燃燒的穩(wěn)定階段。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論確定熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力耦合作用是該種玻璃破裂的根本原因，因此所有裂紋均起始于支撐點(diǎn)，

5、且脫落比例遠(yuǎn)高于框支撐玻璃。通過(guò)建立數(shù)值模型使用實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度對(duì)點(diǎn)支撐玻璃幕墻施加均勻和非均勻載荷進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果在時(shí)間變化趨勢(shì)、裂紋起裂和擴(kuò)展等方面與實(shí)驗(yàn)具有較好的一致性，揭示了點(diǎn)支撐玻璃幕墻破裂的內(nèi)在機(jī)制。
　　本文還通過(guò)改變火源在玻璃厚度和端面方向的位置，揭示火源位置對(duì)玻璃幕墻破裂行為的影響機(jī)制，闡明火源位置與安裝方式對(duì)玻璃破裂的耦合作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)改變火源在厚度方向的位置，分析研究鋼化玻璃與雙層玻璃的防火性能，確定單層

6、玻璃和中空雙層玻璃破裂臨界條件。針對(duì)單層和中空玻璃建立基于玻璃表面熱流和光譜吸收規(guī)律的破裂時(shí)間理論預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行有效驗(yàn)證。通過(guò)改變端面方向的火源位置，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火源在玻璃中心區(qū)域時(shí)框支撐玻璃幕墻破裂時(shí)間最短。而對(duì)于點(diǎn)支撐玻璃幕墻，當(dāng)火源位于支撐點(diǎn)時(shí)最容易發(fā)生破裂。本文最后對(duì)玻璃破裂的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制和傳熱機(jī)理進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)比較透明、鍍膜和磨砂玻璃的斷裂應(yīng)力和微裂紋分布，揭示其防火性能差異致因。探究不同溫度對(duì)玻璃臨界斷裂