火源位置對(duì)浮法玻璃熱破裂行為規(guī)律影響研究*

張嬿妮，楊 丹，溫心宇，馮志超，凌詩(shī)月，黃羅鑫

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

浮法玻璃厚度均勻、光滑平整，是現(xiàn)代建筑中采用的重要構(gòu)件[1-2]。但是，浮法玻璃的廣泛應(yīng)用在提高建筑美觀性的同時(shí)，也帶來了較大的火災(zāi)隱患。在火場(chǎng)中，玻璃的破裂和脫落會(huì)形成新的通風(fēng)口，并給煙氣及火焰提供新的蔓延路徑，加劇火勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展[3-6]。

Emmons[4]于1986年首次提出關(guān)于玻璃的研究，此后有關(guān)不同火源位置下玻璃防火性能的研究大量展開，Wang等[5]采用有限元方法模擬火源位置自玻璃邊緣向幾何中心移動(dòng)，通過對(duì)玻璃破裂時(shí)間、應(yīng)力分布及裂紋萌生擴(kuò)展機(jī)理的分析，發(fā)現(xiàn)火源位置對(duì)不同安裝方式下玻璃有著顯著影響；Lu等[6]采用實(shí)驗(yàn)及模擬方法對(duì)不同條件下點(diǎn)支撐玻璃受力性能進(jìn)行研究；榮剛[7]采用數(shù)值模擬分析了框支撐玻璃在熱源作用下熱應(yīng)力分布及裂紋擴(kuò)展特征；周洋等[8]通過模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了受限空間內(nèi)不同開口位置與尺寸對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響；Skelly等[9]采用明火模擬火源裝置的方式，對(duì)有邊框遮蔽和無(wú)遮蔽的玻璃破裂時(shí)臨界溫度差進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[10-12]通過實(shí)驗(yàn)及模擬分析了火源位置對(duì)不同安裝方式下浮法玻璃熱破裂行為機(jī)理的影響；劉永軍等[13]通過數(shù)值模擬對(duì)防火玻璃窗耐火性能進(jìn)行研究；張毅等[14]利用封閉腔室玻璃破裂模擬實(shí)驗(yàn)裝置研究了火源位置對(duì)浮法玻璃破裂行為機(jī)理的影響；程旭東等[15]通過浮法玻璃熱荷載實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)所得輻射強(qiáng)度、最大溫差、玻璃表面溫度等參數(shù)，得出不同火源位置對(duì)玻璃熱破裂的影響情況。

隨著建筑中更多安裝方式以及大尺寸浮法玻璃的廣泛使用，火源位置與安裝方式對(duì)浮法玻璃耐火性能的共同作用會(huì)更加復(fù)雜，因此，如果忽視火源自身特性，無(wú)法客觀全面地評(píng)估浮法玻璃防火性能。通過研究火源位置對(duì)不同安裝方式下浮法玻璃熱破裂行為機(jī)理的影響，可為設(shè)計(jì)防火性能更佳的玻璃幕墻以及建筑火災(zāi)事故調(diào)查工作提供一定參考。因此，對(duì)浮法玻璃在火災(zāi)中的熱破裂行為及其防火性能進(jìn)行研究，對(duì)于建筑消防具有重要意義。

選取浮法玻璃作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)點(diǎn)支撐、框支撐安裝方式下的浮法玻璃進(jìn)行熱輻射實(shí)驗(yàn)，通過改變火源與浮法玻璃之間的距離，分別得出不同火源位置時(shí)的浮法玻璃破裂臨界條件，分析浮法玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的首次破裂時(shí)間、玻璃表面溫度以及裂紋起裂方式等，深化火源位置對(duì)浮法玻璃熱破裂行為機(jī)理規(guī)律影響的研究。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用尺寸為600 mm×600 mm×6 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的浮法玻璃，為保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象各參數(shù)一致，對(duì)玻璃進(jìn)行車邊及磨邊處理，放置玻璃框架統(tǒng)一采用最高可耐1 200 ℃高溫的不銹鋼材料，如圖1所示。為保證各工況下玻璃安裝時(shí)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力及膨脹空間近似一致，在實(shí)驗(yàn)過程中確保點(diǎn)支撐玻璃固定點(diǎn)開孔大小及固定螺栓扭矩保持一致。同理，對(duì)于框支撐，通過可旋轉(zhuǎn)螺母的固定夾進(jìn)行同樣圈數(shù)的調(diào)節(jié)，保證調(diào)節(jié)力矩及受力面積相同。在研究遮蔽寬度對(duì)玻璃破裂影響機(jī)理的基礎(chǔ)上[16]，可以發(fā)現(xiàn)，遮蔽寬度小于20 mm時(shí)，玻璃破裂時(shí)間與遮蔽寬度呈負(fù)相關(guān)，反之呈正相關(guān)。因此20 mm為臨界遮蔽寬度，此時(shí)玻璃最快破裂。為擴(kuò)大結(jié)論適用性，進(jìn)行框支撐安裝時(shí)采用遮蔽寬度為20 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意

本實(shí)驗(yàn)選用純度為99%的正庚烷作為燃料，每組實(shí)驗(yàn)使用燃料2 kg，其優(yōu)點(diǎn)是能夠較為穩(wěn)定地使火源釋放速率控制在300～400 kW之間，選用尺寸為500 mm×500 mm的正方形油盤，在油盤下方設(shè)置1個(gè)質(zhì)量損失天平，有效記錄燃料質(zhì)量受時(shí)間變化情況的影響程度，從而確定火源熱釋放速率[15]。

使用500萬(wàn)像素的Memrecam HX-1E型高速攝像機(jī)記錄玻璃裂紋起裂位置、起裂時(shí)間等指標(biāo)，由攝影機(jī)記錄全程影像。在玻璃表面粘貼接觸面積為25 mm×15 mm的K型貼片熱電偶，其可測(cè)溫度范圍為0～800 ℃，在距玻璃向火面中心5 mm的位置處安裝鎧裝熱電偶以測(cè)量空氣溫度，其可測(cè)溫度范圍為0～1 300 ℃。

熱電偶布置如圖2所示，為便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)熱電偶進(jìn)行編號(hào)，小寫字母代表浮法玻璃向火面上的熱電偶位置，對(duì)應(yīng)大寫字母代表在背火面上的相應(yīng)位置。確定在玻璃厚度方向上距玻璃中心350，450，550，650，750 mm 5組不同火源位置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為了避免實(shí)驗(yàn)過程中的偶然性，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，總共30組實(shí)驗(yàn)。

圖2 熱電偶布置

2 結(jié)果與討論

2.1 首次破裂時(shí)間

玻璃的首次破裂時(shí)間是指火源出現(xiàn)到玻璃首次發(fā)生破裂所經(jīng)歷的時(shí)間。根據(jù)玻璃首次破裂時(shí)間與火源位置函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過擬合分析可分別得出點(diǎn)支撐、框支撐玻璃函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)擬合公式(1)～(2)，可通過玻璃首次破裂時(shí)間預(yù)測(cè)火源位置。在本實(shí)驗(yàn)中玻璃尺寸設(shè)計(jì)參考實(shí)際建筑應(yīng)用，因此適用范圍為建筑中相似尺寸的浮法玻璃點(diǎn)支撐及框支撐安裝設(shè)計(jì)和火災(zāi)事故調(diào)查，提升建筑消防水平。不同火源位置玻璃破裂時(shí)間及表面溫度差如表1所示。

表1 不同火源位置玻璃破裂時(shí)間及表面溫度差

由表1可知，在點(diǎn)支撐安裝方式下，工況1，2，3條件下的浮法玻璃首次破裂時(shí)間均值分別為111,154,210 s，而在工況4，5情況下均未發(fā)生破裂。圖3為玻璃破裂時(shí)間與火源位置關(guān)系。對(duì)浮法玻璃首次破裂時(shí)間與火源位置關(guān)系進(jìn)行線性擬合，如圖3(a)所示，得出二者關(guān)系式為：

圖3 玻璃破裂時(shí)間與火源位置關(guān)系

y=0.47x-54.83

(1)

其R2為0.997 6，線性擬合程度高。可以發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)支撐安裝方式下，火源位置與浮法玻璃首次破裂時(shí)間呈正向線性相關(guān)。

在框支撐安裝方式下，除距火源750 mm處浮法玻璃均未發(fā)生破裂現(xiàn)象外，其余玻璃均破裂且首次破裂時(shí)間均值分別為138，157，202，226 s。分析玻璃表面破裂時(shí)間與火源位置的關(guān)系，由圖3(b)擬合曲線可知，其擬合關(guān)系函數(shù)為：

y=954.812-5.530 4x+0.011 8x2-7.833x3

(2)

其R2為0.998 3，線性擬合程度較高。可以看出框支撐安裝方式下浮法玻璃首次破裂時(shí)間與火源位置呈三階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。由圖3(c)導(dǎo)數(shù)曲線所示可知，導(dǎo)數(shù)曲線最值點(diǎn)在火源位置與玻璃首次破裂時(shí)間關(guān)系曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為該關(guān)系曲線的變化率臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)的橫坐標(biāo)值為500 mm。根據(jù)上述分析，可將二者關(guān)系曲線分為3個(gè)區(qū)域：緩沖區(qū)、加速區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。在緩沖區(qū)，玻璃首次破裂時(shí)間變化率不斷增大，說明在此區(qū)域內(nèi)，火源位置對(duì)浮法玻璃首次破裂時(shí)間的影響程度不斷上升，直到進(jìn)入加速區(qū)，變化率即曲線斜率達(dá)到最值，在這個(gè)范圍內(nèi)，通過調(diào)整火源位置可以最大程度地改變玻璃表面首次破裂時(shí)間，火源位置為強(qiáng)影響因素；在變化率最值點(diǎn)之后，隨著火源位置距離增大，曲線斜率開始降低；進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)，火源位置的變化對(duì)玻璃首次破裂時(shí)間的影響程度降低，此時(shí)為弱影響因素。

分析相同距離時(shí)點(diǎn)支撐、框支撐安裝方式下的玻璃熱破裂特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火源位置距浮法玻璃在350～500 mm范圍內(nèi)時(shí)，點(diǎn)支撐與框支撐安裝方式下浮法玻璃在火場(chǎng)中的首次破裂時(shí)間差異不大，防火性能較為接近，但點(diǎn)支撐安裝方式下的玻璃首次破裂時(shí)間與火源位置關(guān)系呈線性相關(guān)，比值變化率基本不變，而框支撐安裝方式下表現(xiàn)為三階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，雖然整體呈正相關(guān)，但其一階微分函數(shù)隨火源位置增加呈非線性變化；當(dāng)火源位置移至浮法玻璃650 mm處時(shí)，點(diǎn)支撐安裝下的玻璃從火源開始作用到燃料燃盡都未發(fā)生破裂現(xiàn)象，但框支撐安裝方式下的浮法玻璃仍呈破裂狀態(tài)。由此可知，在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)下對(duì)浮法玻璃進(jìn)行熱輻射，點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃防火性能更優(yōu)。

文獻(xiàn)[12]利用全尺寸實(shí)驗(yàn)，研究火源在玻璃厚度方向上的位置變化對(duì)點(diǎn)支撐玻璃和雙層玻璃破裂機(jī)理的影響，結(jié)果表明：當(dāng)點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃分別距火源350，450，550 mm時(shí)，玻璃首次破裂時(shí)間逐漸延遲，并分析得到點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃破裂時(shí)臨界條件，中心溫度為200～300 ℃。而雙層玻璃在火場(chǎng)中的失效時(shí)間可達(dá)到單層玻璃的三至四倍。本文在點(diǎn)支撐玻璃熱破裂研究的基礎(chǔ)上，選取點(diǎn)支撐和框支撐2種不同安裝方式，對(duì)玻璃在不同火源位置下的各個(gè)階段特征進(jìn)行更為詳細(xì)的對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)表明：火源位置與玻璃破裂時(shí)間整體呈正相關(guān)，與文獻(xiàn)[12]對(duì)點(diǎn)支撐玻璃的分析結(jié)果保持一致，但本文在整體相關(guān)的基礎(chǔ)上，通過函數(shù)擬合，進(jìn)一步分析影響玻璃破裂的臨界火源位置，并將二者關(guān)系曲線按照其發(fā)展規(guī)律劃分為緩沖區(qū)、加速區(qū)、平穩(wěn)區(qū)，可更為直觀地表現(xiàn)浮法玻璃熱破裂過程中火源位置影響因素的強(qiáng)弱程度變化。

2.2 玻璃表面溫度和空氣溫度

溫度差是衡量玻璃破裂特性的重要因素之一。點(diǎn)支撐安裝方式下玻璃表面溫度和空氣溫度變化如圖4所示。在熱輻射作用下，點(diǎn)支撐玻璃表面有明顯的溫度梯度，熱電偶b，e，f所測(cè)得溫度明顯普遍較高，并且熱電偶b測(cè)得溫度高于熱電偶e，f所測(cè)溫度。這是由于火源位于浮法玻璃中心線處，熱輻射在浮法玻璃中心線附近作用強(qiáng)度最大。當(dāng)熱輻射作用于浮法玻璃時(shí)，因火源產(chǎn)生的熱煙氣在羽流的作用下上升作用于熱電偶b所在位置，導(dǎo)致玻璃上邊緣溫度較高。該結(jié)果表明：導(dǎo)致點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃發(fā)生破裂的主要原因是在熱輻射作用下，玻璃中心線上邊緣位置與豎直方向上其他區(qū)域溫度分布不均，并且由于點(diǎn)支撐4個(gè)固定點(diǎn)的約束作用使得玻璃在受熱時(shí)無(wú)法自由擴(kuò)張卸壓，形成較大局部壓力，導(dǎo)致玻璃破裂。

圖4 點(diǎn)支撐安裝方式下玻璃表面溫度和空氣溫度變化

框支撐安裝方式下玻璃表面溫度和空氣溫度變化如圖5所示。4組工況下熱電偶g，a，c，i所測(cè)得溫度整體較低，并且曲線增長(zhǎng)幅度平緩，與其他熱電偶溫度變化曲線有明顯的梯度差。但熱電偶e，f，b，d，h所測(cè)得溫度明顯高于遮蔽區(qū)溫度，并且溫度上升速度較快。這說明框支撐安裝方式下的浮法玻璃破裂的主要原因是在玻璃表面進(jìn)行熱輻射時(shí)，由于四周邊框的作用使得玻璃遮蔽區(qū)域無(wú)法直接受熱，只能通過非遮蔽區(qū)域的熱傳導(dǎo)作用升溫。因此，在遮蔽區(qū)域與非遮蔽區(qū)域會(huì)形成較大的溫度差，導(dǎo)致熱應(yīng)力分布不均勻，在臨界條件下玻璃就會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象。

圖5 框支撐安裝方式下玻璃表面溫度和空氣溫度變化

由表1可知，點(diǎn)支撐安裝方式下浮法玻璃表面平均最大溫度差分別為90，78，73 ℃，框支撐安裝方式下分別為64，70，65，30 ℃。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)支撐玻璃在熱輻射條件下可承受的最大溫差高于框支撐，防火性能更佳，這是由于點(diǎn)支撐玻璃四周無(wú)遮蔽區(qū)域，在火源輻射作用下，玻璃直接受熱面積大，但框支撐由于其邊緣被金屬邊框遮蔽，在遮蔽區(qū)域與非遮蔽區(qū)域之間溫度差較大，導(dǎo)致玻璃表面應(yīng)力分布不均，更容易發(fā)生破裂現(xiàn)象。由于工況4，5，10中玻璃均未發(fā)生破裂，故此處不再分析。

在玻璃受熱初期，空氣溫度與玻璃向火面中心溫度較為接近，但隨著玻璃持續(xù)受熱輻射作用，空氣與玻璃向火面中心點(diǎn)的溫度梯度不斷增大，向火面中心溫度遠(yuǎn)大于空氣溫度。這說明，火源條件穩(wěn)定后，造成玻璃溫度上升直到發(fā)生破裂現(xiàn)象的原因主要是熱輻射作用，熱對(duì)流作用的影響程度較小。

2.3 裂紋起裂方式

實(shí)驗(yàn)后點(diǎn)支撐玻璃裂紋分布如圖6所示。對(duì)于點(diǎn)支撐玻璃，火源位置在350 mm處時(shí)，浮法玻璃出現(xiàn)2條主要裂紋，且都是縱向發(fā)展裂紋，當(dāng)火源位置與浮法玻璃之間距離增大時(shí)，玻璃發(fā)生首次破裂時(shí)間延遲，只出現(xiàn)1條主要裂紋，擴(kuò)展趨勢(shì)仍是從上到下；當(dāng)火源位置距浮法玻璃650 mm時(shí)，從火源產(chǎn)生直到燃料燃盡，玻璃都未破裂。

可以發(fā)現(xiàn)，在點(diǎn)支撐安裝方式下，玻璃首次破裂大多發(fā)生在4個(gè)固定點(diǎn)及其周圍位置，然后在極短時(shí)間內(nèi)向?qū)俏恢没?條對(duì)角邊處擴(kuò)展，直至玻璃完全破裂掉落。分析點(diǎn)支撐安裝方式下的玻璃首次破裂位置，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在工況1的條件下，裂紋從左上角及右下角固定點(diǎn)處開始蔓延；工況2下，裂紋起始位置位于左上角固定點(diǎn)；工況3的火源位置下，于左上角及右上角固定點(diǎn)開始出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明當(dāng)火源對(duì)浮法玻璃進(jìn)行熱輻射時(shí)，在熱應(yīng)力的作用下，玻璃表面熱荷載分布不均，而且由于4個(gè)固定點(diǎn)的約束力，玻璃無(wú)法在受熱情況下自由擴(kuò)張，就會(huì)在固定點(diǎn)位置產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。另外，在進(jìn)行點(diǎn)支撐玻璃安裝時(shí)，機(jī)械打孔破壞了玻璃本來的完整性，對(duì)玻璃內(nèi)部形成了一定的破壞，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力重新分布，在火場(chǎng)中，在熱荷載以及內(nèi)部壓力的重疊作用下，固定點(diǎn)以及周圍位置局部應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，造成玻璃破裂。

圖6 點(diǎn)支撐玻璃裂紋分布

在外載和環(huán)境因素影響下，隨著裂紋擴(kuò)展，各裂紋間會(huì)出現(xiàn)分支或相互交叉的現(xiàn)象，這種裂紋就是交叉裂紋。對(duì)于框支撐安裝方式，玻璃破裂后最終形態(tài)相比點(diǎn)支撐玻璃破裂形態(tài)更加復(fù)雜混亂，框支撐玻璃裂紋分布如圖7所示。在350，450 mm的距離下，在玻璃表面會(huì)形成很多交叉裂紋、孤島裂紋，并且在裂紋之間存在不同大小間隙，還會(huì)存在玻璃局部掉落的現(xiàn)象；當(dāng)距離擴(kuò)大到550 mm時(shí)，由于熱輻射作用的減弱，裂紋數(shù)量與裂紋間隙明顯減少，裂紋之間交錯(cuò)程度減弱。同時(shí)，并無(wú)玻璃脫落的情況發(fā)生；當(dāng)火源位置遠(yuǎn)至650 mm時(shí)，玻璃表面只有主裂紋的存在，沒有繼續(xù)擴(kuò)展產(chǎn)生衍生裂紋。

圖7 框支撐玻璃裂紋分布

分析在框支撐安裝方式下玻璃首次破裂位置，主要位于遮蔽區(qū)域與非遮蔽區(qū)域之間溫度差最大的遮蔽邊界，之后再迅速向四周不斷擴(kuò)散，產(chǎn)生大量孤島裂紋和交叉裂紋，最終導(dǎo)致浮法玻璃脫落。以上分析與前文熱電偶記錄數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

1)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，框支撐安裝方式下，火源位置對(duì)浮法玻璃首次破裂時(shí)間的影響程度呈先上升后下降的趨勢(shì)，浮法玻璃首次破裂時(shí)間與火源位置之間的變化率臨界點(diǎn)為500 mm。

2)火源位置與點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃首次破裂時(shí)間呈線性關(guān)系，與框支撐安裝方式下的浮法玻璃首次破裂時(shí)間呈三階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，二者整體為正相關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中心熱輻射情況下，點(diǎn)支撐安裝方式下的浮法玻璃防火性能更優(yōu)。

3)在不同火源位置，點(diǎn)支撐安裝方式下玻璃破裂主要是由于固定點(diǎn)熱應(yīng)力分布不均，其起裂位置主要位于浮法玻璃固定點(diǎn)及其周圍區(qū)域，自上而下向?qū)欠较驍U(kuò)展。而框支撐安裝方式下的浮法玻璃裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)是從遮蔽邊緣向四周快速蔓延。