爆炸作用下玻璃幕墻的破壞機(jī)理與性能研究結(jié)題摘要

中文摘要：爆炸荷載作用下玻璃幕墻的破壞機(jī)理涉及到PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系、夾層玻璃靜力作用下力學(xué)模型、爆炸沖擊荷載-玻璃流固耦合作用等前沿問題，國內(nèi)外在這些方面的研究還未取得突破性進(jìn)展。因此課題通過試驗(yàn)手段建立PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系，通過夾層玻璃靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬，建立與實(shí)際受力相符的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抗爆炸試驗(yàn)及數(shù)值模擬的研究分析，對玻璃幕墻在爆炸作用下的破壞機(jī)理和性能研究進(jìn)行研究，為玻璃幕墻的抗爆炸設(shè)計(jì)有價(jià)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(gòu)關(guān)系模型；進(jìn)行了四邊簡支夾層玻璃的承載力試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，建立了與實(shí)際受力相符的夾層玻璃力學(xué)模型；進(jìn)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(yīng)試驗(yàn)，研究了不同玻璃類型的破壞形式；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了爆炸荷載作用下玻璃面板動力響應(yīng)的有限元分析，并考慮了不同參數(shù)（玻璃尺寸、厚度）對玻璃面板抗爆性能的影響；采用多物質(zhì)ALE算法進(jìn)行了了炸藥作用下爆炸的產(chǎn)生以及爆炸沖擊波與玻璃面板結(jié)構(gòu)之間的耦合作用的數(shù)值分析；基于試驗(yàn)及有限元結(jié)果，提出了爆炸沖擊荷載作用下玻璃幕墻動力響應(yīng)的簡化分析方法。 2100433B

現(xiàn)有關(guān)于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的研究均集中在靜力荷載作用下的設(shè)計(jì)與計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的工作性能涉及沖擊荷載作用下夾層玻璃PVB膠片的本構(gòu)關(guān)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(fù)雜的基礎(chǔ)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(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗爆炸試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬手段，進(jìn)行玻璃幕墻在抗爆作用下的破壞機(jī)理和性能的研究。通過對比爆炸仿真與試驗(yàn)測量結(jié)果，找出適合玻璃幕墻爆炸仿真的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)，對影響玻璃幕墻抗爆炸能力的主要因素和規(guī)律進(jìn)行分析，找到控制設(shè)計(jì)因素及方法，為制訂玻璃幕墻抗爆炸設(shè)計(jì)規(guī)范提供理論依據(jù)。通過本課題的研究有望為重大玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的抗爆炸設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，填補(bǔ)國內(nèi)空白，開始實(shí)現(xiàn)我國從幕墻應(yīng)用大國到研究強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

點(diǎn)支式玻璃幕墻在公共建筑中廣泛應(yīng)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(chǎn)生的后果，本項(xiàng)目提出研究爆炸沖擊波作用下點(diǎn)支式玻璃幕墻的破損機(jī)制和模式。.首先通過靜力拉伸和壓縮試驗(yàn)，確定玻璃的靜態(tài)拉、壓力學(xué)模型；通過中應(yīng)變率沖擊試驗(yàn)，研究應(yīng)變率效應(yīng)對玻璃力學(xué)性能的影響并建立理論模型；通過靜力拉伸和剪切試驗(yàn)，確定PVB的靜態(tài)拉、剪力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)研究PVB的松弛特性；通過沖擊試驗(yàn)，研究應(yīng)變率對PVB力學(xué)性能的影響，并建立理論模型；然后考慮PVB的實(shí)際抗剪剛度，建立夾膠玻璃的力學(xué)模型，并通過堆載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；建立細(xì)致的有限元模型，分析點(diǎn)支式玻璃幕墻在爆炸沖擊波作用下的動態(tài)反應(yīng)過程、破損機(jī)制和破損模式，并通過現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；最后通過系統(tǒng)的參數(shù)分析，建立評估點(diǎn)支式玻璃幕墻抗爆性能的系列P-I圖。.本項(xiàng)目的研究成果可用于點(diǎn)支式玻璃幕墻的抗爆設(shè)計(jì)和抗爆性能評估。

本項(xiàng)目主要對浮法玻璃及PVB夾膠材料的靜動態(tài)力學(xué)性能，以及爆炸沖擊波作用下單片玻璃幕墻、點(diǎn)支式夾層玻璃幕墻的破損機(jī)制進(jìn)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(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，確定了其軸拉、彎曲及軸壓強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)?；贛onte Carlo模擬方法闡釋了強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散現(xiàn)象以及尺寸效應(yīng)，建立了玻璃面板強(qiáng)度隨尺寸的變化關(guān)系； 2) 通過系列動態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)劈裂試驗(yàn)，研究了浮法玻璃動態(tài)壓縮強(qiáng)度及動態(tài)劈裂強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系，其中壓縮強(qiáng)度具有一定的應(yīng)變率效應(yīng)（10-3s-1~800s-1），而劈裂強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)（10-3s-1~40s-1）較明顯；建立了浮法玻璃的動態(tài)本構(gòu)模型； 3) 通過系列單軸拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和松弛試驗(yàn)，研究了溫度（-30℃～40℃）和應(yīng)變率（10-3s-1～200s-1）對PVB力學(xué)性能的影響： PVB材料具有明顯的應(yīng)變率及溫度相關(guān)性，抗拉強(qiáng)度與剪切模量隨溫度升高而降低，隨應(yīng)變率升高而升高；建立了PVB材料的應(yīng)變率及溫度相關(guān)本構(gòu)關(guān)系； 4) 建立了點(diǎn)支式玻璃幕墻抗爆性能分析的力學(xué)模型，并通過現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；結(jié)合參數(shù)分析，研究了幾何尺寸對位移響應(yīng)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(xiàn)場爆炸試驗(yàn)研究了單層玻璃板的受爆破碎機(jī)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(xiàng)目成果可用于夾層玻璃幕墻抗爆設(shè)計(jì)和抗爆性能評估。 2100433B

本項(xiàng)目針對爆炸沖擊荷載造成的結(jié)構(gòu)局部損傷與破壞將顯著降低鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的現(xiàn)象，擬采取理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)開展爆炸與其次生災(zāi)害-火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)的損傷破壞與連續(xù)倒塌分析研究，以鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和典型鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，通過研究爆炸與火災(zāi)作用下鋼結(jié)構(gòu)損傷破壞的相關(guān)性，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞分析方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷破壞規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼梁、鋼柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度評估方法；通過研究爆炸后火災(zāi)作用下溫度環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律，建立爆炸與火災(zāi)聯(lián)合作用下鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析與倒塌時(shí)間預(yù)測方法。為日益廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)和分析手段，因而具有重要的理論意義和工程價(jià)值。