火災(zāi)下玻璃幕墻破裂行為的實驗和數(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?；馂?zāi)作用下，玻璃一旦脫落就會形成新的通風(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)域的一個基礎(chǔ)的、重要的研究課題。本文通過全尺寸實驗、數(shù)值模擬和理論建模等方法對火災(zāi)下玻璃幕墻的破裂行為進行深入研究，揭示其熱力響應(yīng)規(guī)律及微觀動力過程，旨在為玻璃幕墻防火保護優(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16組全尺寸實驗和有限元數(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間、表面溫度、總熱流、裂紋起裂和擴展途徑等關(guān)鍵參數(shù)對不同種類框支撐玻璃進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)半隱框玻璃幕墻受到結(jié)構(gòu)特點和火源形態(tài)的影響，具有較好的防火性能。對于隱框玻璃幕墻，火源的位置變化將會顯著改變其火災(zāi)破裂特性。通過實驗和理論分析發(fā)現(xiàn)在開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火場中破裂的臨界條件。將實驗測量溫度作為邊界條件對玻璃加載，利用自行研發(fā)的有限單元軟件成功預(yù)測玻璃的破裂時間、應(yīng)力場、裂紋起裂位置和擴展，與實驗結(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制。
　　通過24組全尺寸實驗和有限元數(shù)值模擬研究了點支撐玻璃幕墻破裂、脫落的特性和規(guī)律。

4、基于破裂脫落關(guān)鍵參數(shù)，對比分析不同安裝方式下點支撐玻璃的防火性能變化規(guī)律。結(jié)果表明，支撐點位置變化對點支撐玻璃幕墻的熱響應(yīng)具有顯著影響:玻璃脫落所需的時間隨著支撐點與水平或垂直中心線距離的減小而逐漸減小;支撐點位置在水平方向上的變化對玻璃防火性能的影響比豎直方向更加顯著。此外，點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。通過實驗和理論確定熱應(yīng)力和機械應(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，

5、且脫落比例遠高于框支撐玻璃。通過建立數(shù)值模型使用實驗所測溫度對點支撐玻璃幕墻施加均勻和非均勻載荷進行研究并發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果在時間變化趨勢、裂紋起裂和擴展等方面與實驗具有較好的一致性，揭示了點支撐玻璃幕墻破裂的內(nèi)在機制。
　　本文還通過改變火源在玻璃厚度和端面方向的位置，揭示火源位置對玻璃幕墻破裂行為的影響機制，闡明火源位置與安裝方式對玻璃破裂的耦合作用。通過實驗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)律的破裂時間理論預(yù)測模型，并通過實驗結(jié)果對理論模型進行有效驗證。通過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)域時框支撐玻璃幕墻破裂時間最短。而對于點支撐玻璃幕墻，當(dāng)火源位于支撐點時最容易發(fā)生破裂。本文最后對玻璃破裂的微觀動力學(xué)機制和傳熱機理進行研究。實驗比較透明、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。探究不同溫度對玻璃臨界斷裂