防爆膜加固建筑玻璃抗爆性能分析

吳東，吳波，劉靜，張碩，任琦

（中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142）

1 引言

當建筑發生爆炸事故時，建筑玻璃維護系統容易受到爆炸沖擊波的破壞，玻璃的破壞也是造成人員傷亡和財產損失的重要因素。因此，玻璃系統的防護工程已成為重要建筑安全保護的必須考慮的因素。

國內外不少學者對建筑玻璃的爆炸破壞機理和抗爆加固方法進行了研究。董尚委[1]研究了不同建筑玻璃的抗爆性能，研究結果表明，玻璃本身材性以及窗框支撐系統均對窗戶的抗爆性能具有影響。陳海航[2]對玻璃幕墻抗爆性能進行了數值分析，分析了影響玻璃面板抗爆性能的因素，提出了抗爆設計方法。張紅等[3]結合數值仿真分析的方法和現有p-i圖抗爆設計方法的不足，提出了可用于評估夾層玻璃抗爆性能的W-R公式。劉俊等[4]采用有限元分析和試驗驗證，提出了單層鋼化玻璃損傷超壓—沖量曲線的經驗公式。

為分析在爆炸荷載作用下防爆膜加固對于玻璃抗爆性能影響，應用ANSYS LS-DYNA軟件，建立防爆膜防護建筑玻璃三維有限元分析模型，并對不同加固方式的加固效果進行對比分析。

2 模型概況

窗戶尺寸為1.2m×1.2m，由4塊玻璃組成，單個玻璃尺寸為47.5cm×47.5cm。模型中包含鋁合金窗框、玻璃以及鋼板3個PART，窗框采用SOLID三維實體單元建模，厚度為4cm，網格大小為2cm，玻璃為SHELL單元建模，加固方式為在窗戶內側安裝防爆膜。防爆膜厚度為1mm，網格大小為2cm。防爆膜與窗框固定連接。

3 材料

玻璃采用塑性隨動材料模型，彈性模量 5.5×104MPa，密度 2550kg/m3，泊松比0.18，材料屈服強度為60MPa。同時采用關鍵字MAT_ADD_EROSION模擬玻璃的破碎效果，定義失效應變為0.02。窗框選用彈塑性模型，密度為2770kg/m3，彈性模量為 7×104MPa，泊松比為0.33。防爆膜采用彈塑性模型，質量密度為1700kg/m3，彈性模量為1200MPa，泊 松 比 0.3，屈 服 強 度120MPa，同時防爆膜也采用MAT_ADD_EROSION模擬破壞效果，定義失效應變為0.02。

4 荷載施加方式和邊界條件

在不需要考慮炸藥類型等情況下，采用CONWEP模型半經驗法實現爆炸荷載的施加，采用CONWEP模型半經驗法由于不用建立真實炸藥，能夠減少計算時間，簡單便捷。通過定義爆炸沖擊波模擬實際爆炸荷載，沖擊波綜合考慮了入射壓力和反射壓力，爆炸沖擊波的定義需要考慮炸藥量、起爆位置以及炸藥成分。通過定義關鍵字LOAD_BLAST來施加爆炸荷載，爆炸選用2.3kg、4.5kg和9.0kg炸藥，位置為距離窗戶中心包括貼爆、1m、2m和10m，防爆膜厚度考慮1mm、3mm和5mm。玻璃與窗框之間的連接方式為共節點，窗框外圍邊界條件為固定邊界，防爆膜與窗框連接方式為固定。

5 計算結果

5.1 防爆膜防護計算結果

5.1.1 破壞形態

根據計算結果可知，在爆炸荷載作用下，隨著爆炸比例距離的不斷增大，玻璃發生破碎并發生飛濺現象。防爆膜能夠有效防止飛濺現象的發生。

①不同炸藥量

圖1 模型示意圖

圖2 爆炸荷載作用下（1m炸藥2.3kg）防爆膜和窗框響應

圖3為爆炸比例距離是0.606m/kg1/3時窗戶整體破壞情況，鋁合金窗框最大應力為306MPa，防爆膜迎爆面變形約為22.2cm，變形范圍也是呈現中間大兩邊小的趨勢。

圖3 爆炸荷載作用下（1m炸藥4.5kg）防爆膜和窗框響應

圖4為爆炸比例距離是0.481m/kg1/3時窗戶整體破壞情況，防爆膜已經發生結構性破壞，鋁合金窗框最大應力為278MPa，相對于爆炸比例距離為0.606m/kg1/3時，最大應力有所增加，此時防爆膜在與鋁合金窗框連接處發生破壞，爆炸沖擊能量在連接處釋放。

圖4 爆炸荷載作用下（1m炸藥9.0kg）防爆膜和窗框響應

②不同爆炸距離

圖5為爆炸距離為4.71m/kg1/3時窗戶整體損傷情況，此時玻璃并沒有發生結構性損傷，玻璃在與鋁合金窗框連接處應力較大，最大應力約為14.6MPa；鋁合金窗框在支撐與窗框交接處應力較大，最大應力約為50.6MPa。此時，防爆膜承受的爆炸沖擊荷載較小。

圖5 爆炸荷載作用下（10m炸藥4.5kg）防爆膜和窗框響應

當爆炸距離為3.02m/kg1/3時此時玻璃并沒有發生結構性損傷，玻璃在與鋁合金窗框連接處應力較大，最大應力約為58.5MPa；鋁合金窗框在支撐與窗框交接處應力較大，最大應力約為91.5MPa。此時，防爆膜承受的爆炸沖擊荷載較小。

當爆炸距離為0.943m/kg1/3時玻璃和窗框均已發生明顯損傷，玻璃已經脫離窗框發生脫離，由于防爆膜的防護作用，玻璃碎片沒有發生飛濺。此時，防爆膜承受較大的爆炸沖擊荷載，防爆膜應力主要集中在中間部位呈十字形分布，最大應力約為43.7MPa，此時防爆膜無明顯損傷。

圖6 爆炸荷載作用下（5m炸藥4.5kg）防爆膜和窗框響應

③不同防爆膜厚度

圖8為爆炸比例距離是0.606m/kg1/3時（炸藥4.5kg，距離1m）防爆膜應力和變形情況，由圖可知，當防爆膜厚度為1mm時，防爆膜最大變形為22.2cm，防爆膜最大應力為120MPa；當防爆膜厚度為3mm時，防爆膜最大變形為2.4cm，防爆膜最大應力為8.6MPa；當防爆膜厚度為5mm時，防爆膜中間部位最大變形為1.78cm。隨著防爆膜厚度的不斷增加，防爆膜應力逐漸減小，防爆膜變形逐漸增大。

5.2 壓強—時間曲線

當爆炸距離為1m時，在不同爆炸比例距離作用下，防爆膜迎爆面承受的沖擊壓強并不相同，圖7給出了爆炸沖擊荷載作用下防爆膜中心壓強—時間曲線。由圖7(a)可知，隨著炸藥量的不斷增大，防爆膜承受的沖擊壓力逐漸增大。當炸藥量為2.3kg和4.5kg時，防爆膜迎爆面主要承受正壓強，最大分別為42.8MPa和 79.2MPa；當炸藥量為9.0kg時，防爆膜承受的正壓和負壓最大約為80MPa。

圖7 爆炸荷載作用下（2m炸藥4.5kg）防爆膜和窗框響應

5.3 變形—時間曲線

圖10給出了不同炸藥量和爆炸距離對防爆膜的防護效果。由圖8（a）給出了爆炸距離為1m時，不同炸藥量變形—時間曲線。隨著炸藥量的逐漸增大，防爆膜沿著爆炸沖擊方向變形逐漸增大，對于炸藥量為9kg和4.5kg，會出現迎爆面方向變形逐漸減小的情況，主要原因在于此時防爆膜背爆面壓強逐漸增大，因此，沿著迎爆面變形逐漸減小。圖8（b）給出了炸藥量為4.5kg時，不同爆炸距離變形—時間曲線。隨著距離的逐漸增大，迎爆面防爆膜變形逐漸減小，對于貼爆和爆炸距離為1m的情況，變形均發生沿著迎爆面逐漸減小的情況。

圖8 爆炸荷載作用下（1m炸藥4.5kg）防爆膜應力和變形大小

圖9 爆炸荷載作用下防爆膜壓強—時間曲線

圖10 爆炸荷載作用下防爆膜變形—時間曲線

6 效果評價

《玻璃幕墻和門窗防爆炸沖擊波性能分級及檢測方法》(GB/T29908-2013)[5]中要求可知，見表1所示，玻璃和門窗允許破壞情況與危險等級相關，危險等級劃分詳見《玻璃幕墻和門窗防爆炸沖擊波性能分級及檢測方法》(GB/T29908-2013)4.4中分類方法。

危險等級 表1

結合上述鋁合金窗框在爆炸沖擊波荷載作用的破壞方式和加固效果，以及爆炸作用下玻璃幕墻和門窗的允許破壞程度的要求可知，對于上述加固后的鋁合金窗戶，當危險程度為D級以上時，玻璃發生破碎后，防爆膜能夠較好地控制碎片飛濺進入室內。采用的加固方式均可以有效地避免玻璃碎片飛濺傷人。

7 研究結論

考慮爆炸距離、炸藥量以及防爆膜厚度參數的影響，建立了防爆膜加固鋁合金窗戶抗爆分析模型，研究結果表明，防爆膜加固建筑窗戶效果較好，能有效減少飛濺傷害，本文分析結果可為建筑玻璃抗爆鑒定提供參考。