火灾下玻璃幕墙破裂行为的实验和数值模拟研究

发布时间：2020-01-29 12:00

【摘要】：玻璃幕墙是高层建筑最为脆弱的构件,在火灾下极易发生破裂和脱落。火灾作用下,玻璃一旦脱落就会形成新的通风口与火蔓延通道,造成轰燃和回燃现象的发生,并最终导致建筑立体交互火蔓延。因此,玻璃的破裂对建筑火灾的发展和蔓延具有至关重要的作用,是火灾安全领域的一个基础的、重要的研究课题。本文通过全尺寸实验、数值模拟和理论建模等方法对火灾下玻璃幕墙的破裂行为进行深入研究,揭示其热力响应规律及微观动力过程,旨在为玻璃幕墙防火保护优化方案和建筑防火提供理论基础和技术支撑。本文首先通过16组全尺寸实验和有限元数值模拟研究了明框、竖明横隐、横明竖隐和全隐框玻璃幕墙在火灾条件下的破裂特性和规律。基于玻璃破裂时间、表面温度、总热流、裂纹起裂和扩展途径等关键参数对不同种类框支撑玻璃进行综合分析,发现半隐框玻璃幕墙受到结构特点和火源形态的影响,具有较好的防火性能。对于隐框玻璃幕墙,火源的位置变化将会显著改变其火灾破裂特性。通过实验和理论分析发现在开放空间下玻璃与火源之间的传热模式以辐射传热为主,并确定了镀膜玻璃在真实火场中破裂的临界条件。将实验测量温度作为边界条件对玻璃加载,利用自行研发的有限单元软件成功预测玻璃的破裂时间、应力场、裂纹起裂位置和扩展,与实验结果具有较好的一致性。结果表明玻璃边框温度差造成的内部应力是框支撑玻璃幕墙破裂的主要原因,因此裂纹均起裂于边框应力最大处,从而揭示了不同安装方式下框支撑玻璃幕墙的破裂机制。通过24组全尺寸实验和有限元数值模拟研究了点支撑玻璃幕墙破裂、脱落的特性和规律。基于破裂脱落关键参数,对比分析不同安装方式下点支撑玻璃的防火性能变化规律。结果表明,支撑点位置变化对点支撑玻璃幕墙的热响应具有显著影响：玻璃脱落所需的时间随着支撑点与水平或垂直中心线距离的减小而逐渐减小；支撑点位置在水平方向上的变化对玻璃防火性能的影响比竖直方向更加显著。此外,点支撑玻璃的破裂脱落行为可分为三类,但均发生在燃料燃烧的稳定阶段。通过实验和理论确定热应力和机械应力耦合作用是该种玻璃破裂的根本原因,因此所有裂纹均起始于支撑点,且脱落比例远高于框支撑玻璃。通过建立数值模型使用实验所测温度对点支撑玻璃幕墙施加均匀和非均匀载荷进行研究并发现,模拟结果在时间变化趋势、裂纹起裂和扩展等方面与实验具有较好的一致性,揭示了点支撑玻璃幕墙破裂的内在机制。本文还通过改变火源在玻璃厚度和端面方向的位置,揭示火源位置对玻璃幕墙破裂行为的影响机制,阐明火源位置与安装方式对玻璃破裂的耦合作用。通过实验改变火源在厚度方向的位置,分析研究钢化玻璃与双层玻璃的防火性能,确定单层玻璃和中空双层玻璃破裂临界条件。针对单层和中空玻璃建立基于玻璃表面热流和光谱吸收规律的破裂时间理论预测模型,并通过实验结果对理论模型进行有效验证。通过改变端面方向的火源位置,发现当火源在玻璃中心区域时框支撑玻璃幕墙破裂时间最短。而对于点支撑玻璃幕墙,当火源位于支撑点时最容易发生破裂。本文最后对玻璃破裂的微观动力学机制和传热机理进行研究。实验比较透明、镀膜和磨砂玻璃的断裂应力和微裂纹分布,揭示其防火性能差异致因。探究不同温度对玻璃临界断裂应力的影响,与全尺寸火灾实验对比,揭示玻璃破裂内部传热机制和极限断裂应力、线膨胀系数、温度梯度等关键参数微观动力学变化规律。
【图文】：

光谱图,光谱,扩展行为,裂纹扩展速度

据Ｗ及基于最大周向应力判据来判断巧璃的裂纹扩展速度和裂纹扩展方向，最终逡逑得到裂纹的起裂和扩展行为。该研巧结果与商用软件ＡＮＳＹＳ进巧对比，具有很逡逑好的一致性口２，邋６７］，如图１．６所示。逡逑、逦八Ｍ逦…７邋２００９逡逑／＼ｌｖ逦２０：０８：３２逡逑Ｖ０ＤＡＬ邋ＳＯＬｔｎｉＯＢ逡逑＾邋勺Ｅ：ｉ逡逑y睉T户１１逡逑Ｍｍ邋ｉｉ邋Ｉ邋＃１１逡逑Ｉ．邋＾邋１邋＝逡逑画邋１邋３６Ｅ＋０６逦■邋＂ｅｉ＊0ｅ逡逑图１．６邋ＥＡＳＹ和ＡＮＳＷ结果对比逡逑：逡逑１１逡逑

温度曲线,结果对比,判据,玻璃

Ｗａｖｅｋｎｇｔｈ．邋ＸｆＭｍｌ逦＼Ｖａｖ瓜巧化、１邋卿邋ｊ逡逑图１．５玻璃的光谱吸化系巧［６３，邋６４］逡逑在玻璃破裂时间预测方面，上述研究主要集中在一维、二维传热分析，得到逡逑玻璃温度曲线后根据温度差判据来预测破裂玻璃的破裂和脱落时间。近些年，随逡逑着研究的深入，，玻璃破裂的Ｈ维模型也逐渐得到建立。中围科学技术大学孙金华逡逑课题组与英国华威大学Ｊｅｎｎｉｆｅｒ邋Ｗｅｎ课题组展开深入合作，利用有限单兀法首次逡逑实现玻璃破裂Ｓ维模型的建立，并且共同开发了玻璃破裂预测Ｈ维软件ＥＡＳＹ［２２，逡逑６５－６７］。该软件能够对玻璃在火灾下的应力分布进行精确预测，并采用eNNB拉应逡逑力判据、库仑－莫尔判据和最大主应力判据等确定性判据来判断玻璃是否发生起逡逑裂。裂纹发生后，采用基于应力强度因子复合判据、基于能量巧放速率的复合判逡逑据Ｗ及基于最大周向应力判据来判断巧璃的裂纹扩展速度和裂纹扩展方向
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU352.5;TQ171.72

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