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    玻璃幕墙抗爆简化分析与设计概述.pdf

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    玻璃幕墙抗爆简化分析与设计概述.pdf

    12月第6恭第4 VO L_6 N0.4 DEC 玻璃幕墙抗爆简化分析与设计概述 魏亚2陈素文1,2 1.上海土木工程防灾国家重点实验室2.上海同济大学土木工程学院 【摘要l当前,玻璃幕墙正以日新月异的形式发展,然而针对建筑物的恐怖爆炸袭击却不断发生,这对玻 璃幕墙的设计提出了抗爆的要求。针对这种情况,本文首先介绍了爆炸冲击波荷载,并概述了当前用于 建筑结构及构件的抗爆简化分析方法及其在建筑玻璃抗爆分析中的应用;其次,概述了在美国使用的玻 璃抗爆设计标准的设计过程及特点;最后,指出了当前玻璃幕墙抗爆研究的发展方向。 【关键字l玻璃幕墙抗爆设计简化分析 1引言 随着现代化技术的发展,建筑玻璃幕墙正以日 新月异的形式呈现在人们面前。白20世纪50年代 初建成的纽约丽化大厦和纽约联合大厦,玻璃幕墙 经历了半个世纪的发展,现已成为现代化大都市的 重要标志和现代主义建筑的一个显著特征【1]。建筑 玻璃幕墙从当初的单元式,发展到点支式,以其完 美的通透性受到人们的青睐。作为建筑结构的围护 结构,玻璃幕墙的安全性备受关注。 传统幕墙结构的设计能够满足抗风、抗震设计 的要求。进入二十一世纪以来,恐怖爆炸袭击不断 发生,但是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。在以往的爆炸事件中,爆 炸冲击波作用到建筑玻璃上,产生飞溅的玻璃碎片, 是造成人员伤亡的主要原因。同时,爆炸冲击波进 入室内,对室内的人员和财产造成伤亡和损失。面 对建筑玻璃幕墙抗爆的严重形势,许多学者开始进 行玻璃幕墙的抗爆研究。由于爆炸事件中39%的伤 亡是直接与玻璃相关的,所以防止玻璃碎片的飞溅 是抗爆的主要考虑因素【2,3,4]。目前玻璃抗爆的主要 措施有①采用夹胶玻璃,这样可以使玻璃碎片能 够粘结在PVB上,不至于飞溅伤人;②采用贴膜玻 璃,经KC公司试验研究发现,玻璃贴膜虽然可以 使玻璃碎片粘结在膜上形成一个整体,但是玻璃面 板可能会与支承体系分离以整体的形式高速撞击 人员或设施,会造成更大的伤亡和财产损失;③采 用防护索体系,以防止夹胶玻璃或贴膜玻璃以整体 的形式高速脱离约束体系,同样KC公司做了一系 列试验,证明此措施是可行的 】。 为了加强对玻璃幕墙的抗爆设计,本文将介绍 魏亚,上海同济大学土木工程学院 地址上海市四平路1239号同济大学 关于玻璃幕墙的抗爆简化分析方法和美国标准推 荐的玻璃抗爆设计方法。 2爆炸冲击波荷载 爆炸是一个能量迅速释放的过程,并且大部分能量 以空气冲击波的形式向周围传播。爆炸冲击波到达 某一点,该处冲击波超压瞬间达到峰值,并迅速下 降,其持时非常短。典型的爆炸冲击波压力时程曲 线如图1所示。冲击波到达压力峰值Pm后迅速下降, 衰减到环境压力 ,其中超压P。Pm一 , 为 超压持时。到达环境压力后,压力继续下降到负压 状态,经一段时间再恢复到环境压力 。自由空气 中爆炸冲击波超压可以用经验公式1表达[7】。 PcP01一titde-at/ 1 其中,Pt是某一时刻t处的瞬间超压;a是衰 减系数,图3给出了衰减系数n与超压峰值P0的关 系曲线。 由于大多数破坏是由爆炸冲击波正压造成的, 通常把爆炸冲击波荷载简化成如图2的形式,所定 义的荷载参数一般指的是正压阶段超压峰值P0、正 压持时td和正压阶段爆炸冲量,。爆炸冲量的定义可 用式2表达[7】。 压 力 圈1典型的爆炸冲击波压力时程曲线【7】 53 2009年12月第6卷第4 深圳土木与建筑 VO L_6 N0.4 DE 反 射 超 压 时间nl-sec 圈2理慧的反射超压一时阃曲线【1I】 0 10 20 30 40 5O 60 J『 J tdt 2 反射超压 Pr/p。 3 其中,叩是超压反射系数。 把1式代入2式可得4式 , td巴一 11 】 4 爆炸冲击波超压峰值、正压持时、正压阶段冲 量的大小是和爆炸距离有关的,下面给出我国国防 工程中应用的一组爆炸空气冲击波参数公式[8】I p。-o-84 z-7 ‘ 。㈣ ta1.35 X 100 ,√尺 6 54 a板 pt 0● ■’tlllll lllt T 其适用范围‘ 3.5,及1≤而R 10口15 H一装药爆炸时的高度 尺一测点到装药爆炸中心的距离 一等效的TNT装药重量 3建筑玻璃幕墙抗爆简化分析 Mr.Douglas Sunshine,Dr.Ali Amini,Mr.Mark Swanson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【9】。 3.1等效单自由度分析法 针对建筑结构及其构件的单自由度简化分析 法已被广泛接受。在建筑玻璃的抗爆分析中,单自 由度分析模型也被许多学者采用。D.K.Pritchard 采用单自由度模型研究了玻璃面板在爆炸荷载作 用下的破坏,分析结果与试验结果相比,具有良好 的一致性[1o】。Krauthammer和Altenber采用单自 由度模型研究了爆炸冲击波负压在玻璃面板上的 作用效应[11】。Mark G.Stewart和Michael D. Netherton采用单自由度模型研究了爆炸荷载作用 下建筑玻璃的安全风险和概率风险评估[12】。 在建筑结构及其构件的等效单自由度分析模 型中,结构及其构件的无阻尼单自由度模型简化如 图4所示。图4中a、b、c形式的结构或构件 简化成图4中d所示的形式,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 t一GyMedy/dt 7 其中,Fet是等效的动态荷载, 是等效刚度,y是 位移,M 是等效质量,dy/dt 是加速度。 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; b梁 c单层刚架 d等效SDOF系统 图4无阻尼单自由度模型简化f91 垒 旦箜鱼叁堡 垄 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【13】。 通过把爆炸冲击波荷载简化成如图2的形式, 可对单自由度运动方程7进行计算求解。 由图2,令PetP1一土f-,其中 ,代 入方程可得式j 0 t ta7 8 , f、 Me dy/dt KeyP l 1一 8 \ I.d/ 阶段一当时0 t≤td,其解为 y∽AsinoatBcosoat 1一 P dy/d亡A c。s t一 sf孔 t一Keta 其中, 9 位移与超压峰值以静力的形式施加到结构上所产 生的位移比值。 对弹塑性单自由度体系计算,可利用图6中的 弹塑性响应谱曲线。在图6中,纵轴是结构的延性 ,即结构的最大动位移和结构最大弹性位移的比 值 / z横轴是ta/T,即荷载作用时间与结构振 动周期的比值;R 是等效的屈服抗力,R等效峰值 压力。通过图6可以得到弹塑性单自由度体系在冲 击荷载作用下的最大动位移。 9 ,6 10 一√ 初始条件t0,y0dyO/dt0联立9,10 式求解,可得 AKeoata’ 并代入9式可得 y 1- 一 ta COS oatcotaoat 11 阶段二t td, t0,自由振动,基于Ii 式可得 P【 一cos oat] 把 代入11,12式分别得到13,14 式 - e 1-cos 2rr G 、sin 2rr 一l当0≤t≤td 13 y∽K~.t2rr\tal[s 丌G G一 】 一s 2丌G 14 可以证明当亡d/r 0.371时,最大位移响应 发生在第一阶段0 t ta;当亡d/r0.371时则 发生在第二阶段c ta的自由振动状态下【16】。 但是采用基于上述运算得到的弹性响应谱曲 线见图5更能直观简便地得到单自由度体系的 最大位移响应。 在图5中,ta/r是荷载作用时间与 结构振动周期的比值。DLF是动力系数,是最大动 圈5弹性响应谱【l7】 I , ’ J , , K- 一 , 一 f , Olg- , / r● / , .f , ., ,。 / / f t 厂 / , / / f ,。 / / // , , , - 一 一 ’.O. J , J , , , , I, , / , _ / / / r 一r , , r / / r , , , , , , J r , ,。 ,。 / , / / ,, , r r/ 一 // / 1.2一 , , 一一 , . , ,, 。/ /, 一一 , / ,/ 一 ,.5 向 r,, / , t 2.O一 , r-, 一 l , r __自 _ .一 / , 一一 7 r/ / / \ 。 l/ , 。/ /。 / 电。 ‘ sfp州loce}om e 圈6弹基性响应请BT] 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。{ 3.2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.冲量图法见图7。图中,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。在压力一冲量图中,等破坏 55 09 L.6 N0.4 D 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。 压力一冲量图中的每一个点代表了一个特定 的爆炸TNT当量和爆离。图7中给出了一系列的等 爆炸TNT当量线和等爆距线。给定一个具体的爆炸 威胁等效TNT当量和爆距可在图中确定相应的 点,根据点的位置和等破坏线比较即可确定结构或 构件的破坏程度。如果这个点在等破坏线的下方或 者左方,所产生的破坏和等破坏线所代表的程度相 比,是稍轻的。如果这个点在等破坏线的上方或者 右方,所产生的破坏和等破坏线所代表的程度相比, 是较重的。 压力一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。 压力一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。 4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 UFC401001标准10和ASTM F 2248--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6ram夹胶玻璃抵抗发生在一定 56 压 力 冲量 距离的爆炸,同时规定使用6.89 kPa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。ASTM F 2248--03规定使用3一s持时 的等效静载并结合ASTM E 13o004标准选取夹 胶玻璃的厚度用来抵抗设计的爆炸荷载。 4.1 UFC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6m,用于所有暴露在 室外的玻璃幕墙及玻璃门窗。具体地讲,6ram厚的 夹胶玻璃包含两个3ram厚的玻璃面板,用0.75ram 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7.0 kPa,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节点设计等效静蓑表[zol 玻璃面板面积On 等效静载kPa 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 33 kPa,正压阶段冲量为283 kPams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40 kPa,正压阶段冲量为205 kPams。 压 力 爆距 TNT药量 /d毒 l l, 圈7压力冲量图【9】 冲量 009 q-12月第6卷第4 0.4 DEC200 8 持 时 等 效 设 计 荷 载 sf 图8 3 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6.89 kPa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。 4.2 ASTM F 224803抗爆设计 Norville and Conrath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 ASTM F 224803中[2]。这个设计方法以爆炸当量、 爆距、60一s等效设计荷载为参数,进行夹胶玻璃 的抗爆设计。当在ASTM F 2248--03中标准化时, 等效荷载持时改变为3一s,这样就和ASTM E 1300 04标准中的设计荷载取得一致。ASTM F 2248 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ASTM F 2248--03进行抗爆设计,也要参 考ASTM E 130004,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。 ①从图7水平轴上的一个点划一条垂直线,水 平轴上的点代表相应的爆距。 、辱炸当量图表【22 3-s 持 时 等 效 设 计 荷 载 kPa ②垂直线和斜线产生一个交点,其中斜线代表 的是爆炸TNT当量值,从这个交点再画一条水平线, 水平线与纵轴的交点即是3一s持时等效设计荷载 d,由 d进行一定尺寸玻璃面板的抗爆设计。这 个方法允许在斜线之问进行差值。如果 d小于设 计风载,那么让 d等于设计风载。 ③使用ASTM E 130004,设计一个夹胶玻璃 面板,有3一s持时的荷载抵抗力,这个抵抗力LR 一定要比从步骤2中得到的 大。注意,这个步 骤只是决定合适的夹胶玻璃厚度。 ④设计支承体系构件和节点连接件螺栓、螺 钉和焊接抵抗玻璃面板受到的均布荷载辟 d’令 Pr d2LR,LR是从步骤3中得到的,变形挠度 限制在L/160内,其中L为支承构件跨长。 ⑤结构胶尺寸的设计,可以是抗爆玻璃厚度的 一倍N--倍的范围内。 当爆炸发生时,其大小等于或者小于设计的爆 炸荷载,用ASTM F 2248--03中的步骤进行抗爆设 计,应该能够安全破坏。所谓安全破坏,即是抗爆 玻璃虽然破碎,但是并没有脱离对其约束的支承体 系。这也进一步说明了使用ASTM F 224803所达 到的抗爆设计水平比UFC所达到的抗爆设计水平高。 ASTM F 224803玻璃抗爆设计步骤形成过程 中,Norville and Conrath查阅了使用夹胶玻璃进行 57 12月第6卷第4 V0 L_6 N0.4 DEC2009 抗爆试验所得到的试验数据【2】。试验中考虑了如下 的参数因素玻璃类型,玻璃支承条件,爆炸TNT 当量值,爆距,最大冲击波超压,反射超压,玻璃 性能参数。根据ASTM E 13OO一04计算出安全破坏 时玻璃的抗力,并考虑爆炸TNT当量值、爆距形成 了图8。目前,The Crops of Engineers正在进行一 系列试验进一步校核ASTM F 2248--03中的抗爆 设计步骤。 总之,在ASTM E 130004抗爆方法中,包含 两个等效荷载。第一个是3一s持时荷载决定玻璃 的大小,设计者可以从上图7中得到这个荷载。第 二个等效荷载用来设计支撑体系和连接点,其大小 是玻璃抗力的两倍。 4.3两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6ram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。 ASTM F 2248.03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。ASTM F 2248.03比UFC能够适应更大的爆炸威胁的抗爆设 计。 5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。根 据目前研究现状,还需要做好几个方面的研究① 提出玻璃抗爆更精确的设计方法,形成相应的设计 手册;②对玻璃幕墙的支承体系做具体的抗爆研究, 因为支承体系在爆炸荷载作用下失效,将造成更大 的人员伤亡和财产损失;③对玻璃幕墙支承体系与 主体结构的连接节点做具体的抗爆研究,以形成有 效的抗爆防护体系;④形成我国在玻璃幕墙抗爆方 面的设计规范,指导玻璃幕墙的抗爆设计。 参考文献 【1】吕令毅,徐宁.点连接式玻璃幕墙的分析.设计施工[Mj.南京东南 大学出版社,2002,9. 58 [2]Norville,H.s.and Conrath E.J 2001. 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