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玻璃幕墙抗爆防护设计研究

来源:长安大学 同济大学土木工程学院  作者:编辑  日期:2015-8-18
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  随着人类文明的进步,和平与发展成为两大主流,但由于种族主义、恐怖主义、强权政治和地区经济发展不平衡所造成的社会矛盾无处不在,所以人类仍然生存在战争和恐怖主义袭击的危险之中,并且袭击目标逐渐从军事基地转变为重要的民用建筑、基础设施和城市标志性建筑。

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  随着人类文明的进步,和平与发展成为两大主流,但由于种族主义、恐怖主义、强权政治和地区经济发展不平衡所造成的社会矛盾无处不在,所以人类仍然生存在战争和恐怖主义袭击的危险之中,并且袭击目标逐渐从军事基地转变为重要的民用建筑(词条“民用建筑”由行业大百科提供)、基础设施和城市标志性建筑。而经济的发展、文化教育的普及,使人们对大型公共建筑(词条“公共建筑”由行业大百科提供)的功能和美学要求越来越高。玻璃幕墙装饰作为一种融建筑技术、建筑功能以及建筑艺术为一体的建筑外围护构件,在世界各国的高层标志性建筑中被广泛采用,成为现代建筑的一种标志。在爆炸袭击时间中,玻璃的散布和碎片的飞溅是人员受到伤害的主要原因之一。这就是要求作为建筑的重要要外围护构件玻璃幕墙具有一定的防爆性能,即在爆炸事件中能够有效地减小甚至阻止碎片的飞溅,从而有效地减少伤亡和财产损失。因此现代建筑防护技术将幕墙的防护作为重要的环节。

  1.抗爆防护设计目标

  美国UFC一4一010一01(建筑防恐最低标准),根据潜在的结构破坏和人员伤亡对新建建筑设定了5个防护等级,见表1。为便于设计人员使用,DOD(美国国防部)颁布了相应的标准,量化地规定了每个防护等级对应的设防炸弹当量及最小防护距离,见表2.

  美国总务管理局(GSA)、工业安全委员会(ISC)以及美国试验材料学会(ASTM)分别制定了:GSATSO1一2003《玻璃和户系统在动态超压荷载(词条“荷载”由行业大百科提供)下标准试验方法》、(ISC)Security Design Criteria for NewFederal Office Buildings and Major ModernizationProjects《新的联邦办公大楼和主要的现代化工程安全设计准则》、ASTM F 1642一04 Standard Test Method farGlazing and Glazing System Subjected to AirblastLoadings《玻璃和玻璃系统爆炸冲击波荷载下的标准试验方法》。这3个标准建议通过试验确定玻璃的抗爆能力,如表3及图1。

  ASTM F 2248一03中推荐采用“安全防护距离、TNT当量和3s等效设计荷载关系曲线图”,根据实际的安全防护距离和TNT当量,可以选出需要采用的3s等效设计荷载,然后根据规范ASTM E 1300一02中介绍的方法对玻璃幕墙进行等效静力设计。同时规定用于防爆的玻璃必须采用夹层玻璃

  2.防护措施

  2.1周边控制

  周边控制,即通过对建筑物外围的控制来达到防护目的。外围控制就是通过一些方法或手段使得爆炸物尽量地远离建筑。

  常规的炸药质量约为1600kg/m3(约1001b/ft3),相当于一个经过有效包装的手提装置,仅仅只有0.014时(约0.5ft3)大小,可以装在一个大些的公文包或箱子里。这种装置可以很容易地带入结构内部,一旦引爆,对结构构件(如承重柱等)会造成相当大程度的破坏,并且对居住者造成相当程度的伤害。因此,在公共场所入口、邮件收发室、装货场等地方设立检查站可以有效的防止此类威胁进入建筑物内部。

  车辆可以携带更多的炸药,因此在建筑物外围应该设置合理的措施防止此种威胁的靠近。防护距离对建筑物抗爆有至关重要的作用。但很多大型的交通中心等,基本上就不存在防护距离或者防护距离不足。最主要的原因就是要想获得理想的防护距离,建设成本就得增大。防护距离一般都是通过设置栅栏、抗爆墙、防撞柱等使爆炸物和袭击目标有一定的安全距离。为了美观起见,也可以使这些防撞装置融入到街头景观当中。

  2.2增强自身抗力(词条“抗力”由行业大百科提供)

  建筑开窗最常用的是退火玻璃(词条“退火玻璃”由行业大百科提供),此外还有热加固玻璃和回火玻璃。这些玻璃破碎时会产生大块或小块的、锋利的碎片,在冲击波冲击下会高速飞入室内造成人员伤亡和财产损失。

  在抵御爆炸荷载的玻璃材料中,夹层玻璃通常是比较合适的选择。与其他玻璃相比,其夹层结构可以减少爆炸、咫风等带来的影响。同时,夹层玻璃还可以添加色彩、反射涂层、丝印(词条“丝印”由行业大百科提供)图案和颜料,所以夹层玻璃能满足美观、安全和富于表现力的要求。对于玻璃窗户系统,可以通过使用不同类型的夹层安全玻璃来得到高的防护等级。夹层玻璃是用两张火多层清晰\带色彩、低辐射、带图案、用金属线加固或反射的玻璃璃,与一层或多层PVB薄片永久粘合在一起制成。这种玻璃可进行退火(词条“退火”由行业大百科提供),板层可在厚度上改变。保护级别可以由不同层压玻璃配置来实现。当夹层玻璃破碎后,绝大多数玻璃碎片会粘附在PVB胶片(词条“PVB胶片”由行业大百科提供)上。

  中空玻璃由两块玻璃板组合而成,两块玻璃板之间密封有空气。两块玻璃板可以是普通平板玻璃、夹层玻璃或钢化玻璃等。中空玻璃能起到很好的隔热隔音效果。Norville等研究发现,由两片普通单片玻璃构成的中空玻璃能对建筑物内人员起到很好的保护作用。

  复合玻璃能充分发挥各层玻璃的抗爆特性,起到很好的抗爆作用。在2001年,Norville提出由两片夹层玻璃构成的中空玻璃能起到最有效的抗爆作用,但由于经济性原因,其在实际中的应用受到限制。这种玻璃在个别建筑中也有所应用,如CCTV新台址的幕墙玻璃,该复合玻璃配置由外向内所用的材料依次是:钢化夹层玻璃+12mm厚中空层+钢化夹层玻璃,其中,钢化夹层玻璃为:8mm厚钢化玻璃+1.52mm PVB膜+8mm厚钢化玻璃。合理确定玻璃单元尺寸和增加玻璃在窗框中支撑深度一饿对玻璃抵抗抗暴荷载有比较明显的提高。此外,还可以通过对窗户添加中框来提高其抗暴能力。

  当冲击波荷载较小时,夹层玻璃、中空玻璃、复合玻璃等具有比较好的抗爆效果,但是当冲击波荷载非常大时,要想保证玻璃不发生破坏,就要求玻璃本身以及玻璃框、墙体等必须有足够的强度(词条“强度”由行业大百科提供)去承受冲击波荷载,而这些显然很难实现。

  2.3碎片阻挡系统

  除了增强构件本身的抗力来抵抗爆炸荷载,还有另外一种设计方法,那就是增强结构或构件的耗能能力,即允许构件承受巨大变形(词条“变形”由行业大百科提供)甚至遭到破坏,但是不会对建筑物内的人员和财产造成大的伤害和破坏。

  2.3.1抗爆防护膜ASF(Anti一Shatter Film)

  为了满足玻璃抵抗较大爆炸冲击波荷载的能力,研究机构开发出了许多新的玻璃抗爆防护膜ASF(Anti一Shatter Film)。此类薄膜应用于窗户装配业,是一种低成本的保护措施,能在爆炸时对建筑居住者提供一定程度的保护作用。大多数的ASF都是基于聚酷纤维材料并涂有粘结剂而成,具有透明和着色特性。防护膜贴于玻璃内表面,可以提供建筑美观所需要的色彩和形式。

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