爆炸作用下玻璃幕墻的破壞機理與性能研究

中文摘要：爆炸荷載作用下玻璃幕墻的破壞機理涉及到PVB膠片的本構關系、夾層玻璃靜力作用下力學模型、爆炸沖擊荷載-玻璃流固耦合作用等前沿問題，國內外在這些方面的研究還未取得突破性進展。因此課題通過試驗手段建立PVB膠片的本構關系，通過夾層玻璃靜力試驗及數值模擬，建立與實際受力相符的力學模型，在此基礎上進行抗爆炸試驗及數值模擬的研究分析，對玻璃幕墻在爆炸作用下的破壞機理和性能研究進行研究，為玻璃幕墻的抗爆炸設計有價值的參考。得到了夾層玻璃PVB膠片在不同溫度及加載速率下的本構關系模型；進行了四邊簡支夾層玻璃的承載力試驗及數值模擬研究，建立了與實際受力相符的夾層玻璃力學模型；進行了不同類型玻璃面板在爆炸沖擊荷載作用下的動力響應試驗，研究了不同玻璃類型的破壞形式；在試驗的基礎上進行了爆炸荷載作用下玻璃面板動力響應的有限元分析，并考慮了不同參數（玻璃尺寸、厚度）對玻璃面板抗爆性能的影響；采用多物質ALE算法進行了了炸藥作用下爆炸的產生以及爆炸沖擊波與玻璃面板結構之間的耦合作用的數值分析；基于試驗及有限元結果，提出了爆炸沖擊荷載作用下玻璃幕墻動力響應的簡化分析方法。 2100433B

現有關于玻璃幕墻結構的研究均集中在靜力荷載作用下的設計與計算。近年來，發(fā)生了一些爆炸沖擊等偶然荷載作用下的建筑破壞事故，而玻璃幕墻作為建筑的外圍護結構，它的抗爆性能顯得尤為重要。但研究爆炸沖擊荷載作用下的幕墻結構的工作性能涉及沖擊荷載作用下夾層玻璃PVB膠片的本構關系、夾層玻璃的非線性動力分析、玻璃幕墻-沖擊波流固耦合作用等復雜的基礎問題。本課題是在中央電視臺新臺址大樓玻璃幕墻抗爆炸試驗的基礎上，結合抗爆炸試驗和數值仿真模擬手段，進行玻璃幕墻在抗爆作用下的破壞機理和性能的研究。通過對比爆炸仿真與試驗測量結果，找出適合玻璃幕墻爆炸仿真的理論方法和關鍵技術，對影響玻璃幕墻抗爆炸能力的主要因素和規(guī)律進行分析，找到控制設計因素及方法，為制訂玻璃幕墻抗爆炸設計規(guī)范提供理論依據。通過本課題的研究有望為重大玻璃幕墻結構的抗爆炸設計提供科學依據，填補國內空白，開始實現我國從幕墻應用大國到研究強國的轉變。

點支式玻璃幕墻在公共建筑中廣泛應用，而爆炸引起的高速飛行的玻璃碎片是爆炸造成人員傷亡的主要因素。為減少爆炸產生的后果，本項目提出研究爆炸沖擊波作用下點支式玻璃幕墻的破損機制和模式。.首先通過靜力拉伸和壓縮試驗，確定玻璃的靜態(tài)拉、壓力學模型；通過中應變率沖擊試驗，研究應變率效應對玻璃力學性能的影響并建立理論模型；通過靜力拉伸和剪切試驗，確定PVB的靜態(tài)拉、剪力學模型，并通過試驗研究PVB的松弛特性；通過沖擊試驗，研究應變率對PVB力學性能的影響，并建立理論模型；然后考慮PVB的實際抗剪剛度，建立夾膠玻璃的力學模型，并通過堆載試驗進行驗證；建立細致的有限元模型，分析點支式玻璃幕墻在爆炸沖擊波作用下的動態(tài)反應過程、破損機制和破損模式，并通過現場爆炸試驗進行驗證；最后通過系統(tǒng)的參數分析，建立評估點支式玻璃幕墻抗爆性能的系列P-I圖。.本項目的研究成果可用于點支式玻璃幕墻的抗爆設計和抗爆性能評估。

本項目主要對浮法玻璃及PVB夾膠材料的靜動態(tài)力學性能，以及爆炸沖擊波作用下單片玻璃幕墻、點支式夾層玻璃幕墻的破損機制進行了系統(tǒng)性研究，主要取得以下成果： 1) 通過浮法玻璃的準靜態(tài)力學性能試驗，確定了其軸拉、彎曲及軸壓強度等力學指標。基于Monte Carlo模擬方法闡釋了強度數據離散現象以及尺寸效應，建立了玻璃面板強度隨尺寸的變化關系； 2) 通過系列動態(tài)壓縮試驗和動態(tài)劈裂試驗，研究了浮法玻璃動態(tài)壓縮強度及動態(tài)劈裂強度與應變率的關系，其中壓縮強度具有一定的應變率效應（10-3s-1~800s-1），而劈裂強度的應變率效應（10-3s-1~40s-1）較明顯；建立了浮法玻璃的動態(tài)本構模型； 3) 通過系列單軸拉伸試驗、剪切試驗和松弛試驗，研究了溫度（-30℃～40℃）和應變率（10-3s-1～200s-1）對PVB力學性能的影響： PVB材料具有明顯的應變率及溫度相關性，抗拉強度與剪切模量隨溫度升高而降低，隨應變率升高而升高；建立了PVB材料的應變率及溫度相關本構關系； 4) 建立了點支式玻璃幕墻抗爆性能分析的力學模型，并通過現場爆炸試驗進行驗證；結合參數分析，研究了幾何尺寸對位移響應和破壞模式的影響；建立了可用于夾層玻璃抗爆性能評估的P-I曲線； 5) 通過理論分析及現場爆炸試驗研究了單層玻璃板的受爆破碎機理，基于能量原理提出了玻璃碎片尺寸及飛濺距離的評估方法。 項目成果可用于夾層玻璃幕墻抗爆設計和抗爆性能評估。 2100433B

本項目針對爆炸沖擊荷載造成的結構局部損傷與破壞將顯著降低鋼結構抗火性能的現象，擬采取理論分析與數值模擬相結合的研究方法，系統(tǒng)開展爆炸與其次生災害-火災聯合作用下鋼結構的損傷破壞與連續(xù)倒塌分析研究，以鋼梁、鋼柱等結構構件和典型鋼結構為研究對象，通過研究爆炸與火災作用下鋼結構損傷破壞的相關性，建立爆炸與火災聯合作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷破壞分析方法；通過研究爆炸后火災作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷破壞規(guī)律，建立爆炸與火災聯合作用下鋼梁、鋼柱等結構構件的損傷程度評估方法；通過研究爆炸后火災作用下溫度環(huán)境的時空變化規(guī)律，建立爆炸與火災聯合作用下鋼結構連續(xù)倒塌分析與倒塌時間預測方法。為日益廣泛應用的鋼結構的安全設計提供可靠的理論依據和分析手段，因而具有重要的理論意義和工程價值。