高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计

张磊

【摘要】随着科学技术的不断发展，建筑玻璃幕墙以其美观新颖的造型和独特鲜明的特点越来越多地被应用到建筑结构上，成为高层建筑时代的杰出代表。近年来，世界各地袭击高层建筑的恐怖活动频繁发生，促使建筑设计中逐渐考虑到建筑的抗爆炸设计要求。基于此，本文主要对高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计进行分析探讨。

【关键词】高层建筑；玻璃幕墙；防爆炸设计

1、前言

在现代大型、重要高层建筑设计时，建筑物的抗爆炸性能逐渐被列为设计要求之一，即建筑物要能够抵抗一定程度的爆炸破坏影响，从而避免建筑物内的人员受到可能的伤害。玻璃幕墙作为建筑的外维护构建，它的抗爆性能直接关系到整个建筑物的安全性，是建筑抗爆炸设计首先要考虑的问题。

2、幕墙系统受力特点和设计

2.1爆炸荷载的简化

爆炸力属偶遇荷载，幕墙的支撑结构可以考虑按照弹塑性力学进行分析，对复杂的玻璃幕墙在爆炸冲击时的受力状态用近似的线性方程来处理，目前国内还没有明确的荷载规范公式，对于幕墙竖向型材、横梁等构件的受力可以采用静荷载简化的方法，对玻璃幕墙进行抗爆炸初步设计。

冲击波的传播衰减过程是非线性的，按照实际受力来分析，计算过于复杂，而且用在实际工程中意义不大，目前考虑用直线来代替冲击波随时间的变化过程，冲击波荷载就可以简化成一个三角分布的荷载，如图1所示。

图 1 冲击波三角分布荷载

在分析玻璃幕墙的冲击波作用时，可以用峰值超压Pmax、超压冲量Ft和冲击波持续时间td等3个影响参数来确立设计准则，这些参数的初始设计值可由经验和爆炸试验来获得。爆炸冲击波首先垂直于玻璃平面实施三角形爆炸荷载，接着，由于在爆炸荷载下夹层玻璃产生裂纹时在内层生成的PVB胶片力会给周围框架构件施加玻璃平面内指向中心的拉力。这些力同样应计入计算校核范围。

2.2玻璃结构的设计

由于玻璃脆性材料的限制，必须将玻璃粘接才能使破碎的玻璃不致飞溅伤人。目前由于节能的要求，大多数建筑多采用了中空玻璃，这就意味着如果进行防爆炸设计，必须在室内外两面上都要进行夹胶处理，以免爆炸产生的玻璃飞溅对室内外人员造成严重伤害[3]。对于市面上胶片PVB、SGP与玻璃之间的粘结强度以及其本身抗冲击性能与厚度的选择，可询问相关生产厂家，这里不再详述。玻璃防护的基本原则是不允许整块玻璃脱落玻璃框，为了充分利用玻璃进行防爆炸设计，可考虑采用硅酮结构胶将玻璃四周粘接到主要受力型材上面。

2.3幕墙受力型材的设计

玻璃框槽口必须保持一定的深度，通過经验和计算模拟，确定最小尺寸。此部分要求所要达到的目的是指当冲击波击穿玻璃内层PVB夹层之前，整个玻璃单元应被约束在玻璃框之内，而不致脱落。设计时，幕墙框将按照承受玻璃传来爆炸力情况下的变形峰值来评价其承载能力。允许窗体结构部分在规定值内保持变形，但遭受炸弹袭击后必须更换。在进行冲击波平面外直接作用幕墙设计时，考虑的是弹塑性状态，关键点有：验算幕墙构件端部的转角、延长比是否在规定的数值之内；屈服强度的校核；借助软件对于爆炸仿真模拟；对整体构件进行动态分析；在横向最大挠度发生时，验算端部最大转角是否符合规定等。而在进行平面内受力设计时，定义为弹性范围，按照正常荷载组合和规范进行设计。

3、高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计

3.1玻璃材料选择

抗爆玻璃推荐选用抗爆强度高的玻璃，如夹层玻璃、使用夹层玻璃的中空玻璃。夹层玻璃是由两层及以上薄片玻璃用具有弹性的有机塑料粘合剂粘合而成的一种安全玻璃。中空玻璃是由两片及以上玻璃以有效支撑隔开并周边粘接密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的制品。在保证安全使用的前提下，抗爆强度更高的玻璃通常能够抵抗强度更大的爆炸冲击荷载。另外，性能优异的结构胶和连接爪件也是近年研究开发的技术产品。

3.2设置抗爆安全距离

爆炸产生的冲击波压力随着距爆点径向距离的增加而迅速衰减，因此增加爆炸中心点与目标之间的距离是抗爆设防最有效的方式。所谓抗爆安全距离，是指当炸药及其制品发生燃烧爆炸时，由爆炸中心点到能保护人身安全和使建筑物遭受破坏的程度被限制在设防标准允许的破坏等级之内的最小距离。实际工程可以通过设置防护隔离带、绿化带、栅栏、防撞柱、防爆网、抗爆墻等来实现抗爆安全距离的要求。此外，通过建筑布局、交通规划以及安全监控和检查进行抗爆安全保护，如控制停车场远离建筑物可以减轻建筑物受到携带炸药的车辆恐怖袭击造成的破坏等。当平面布置不能满足安全距离的要求时，可以根据距离的远近采用不同的抗爆等级，距离越短所设置的抗爆等级应越高。

结语：

建筑玻璃幕墙已成为现代建筑的重要组成部分，玻璃也是不可缺少的建筑材料。然而，玻璃具有易碎性并且破碎后碎片飞溅伤人，因此玻璃幕墙的抗爆性能成为人们关注的热点。为了减轻恐怖袭击事件所带来的灾害，应加强防范意识，提高安全设防水准，做好防范措施。鉴于国外相关研究较为完善，本文建议可以适当参考美国规范，根据其规定步骤进行玻璃幕墙抗爆设计。此外，国内学者也对玻璃幕墙抗爆性能做了一些研究尝试，但试验、数值模拟和防爆措施的研究等方面还需深入，以期建立适用于我国的规范条文和设计步骤，为玻璃幕墙的广泛应用提供安全保障。

参考文献：

[1]冯顺山，王芳，胡浩江.爆炸冲击波防护效应的评价方法研究[J].安全与环境学报，2004（增刊）：173-176.

[2]李冠鹏，葛杰.美国规范中门窗玻璃抗爆设计方法探讨[J].门窗，2012（8）：22-25.