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四邊簡支玻璃模爆法試驗

      1 前言
  隨著現代科技的高速發展,玻璃幕墻已成為現代大型公共建筑和超高層建筑的最主要外立面形式,是現代主義建筑的顯著特征[1][2]。面對21世紀以來不斷出現的恐怖活動,玻璃幕墻作為建筑的外圍護構件,其抗爆炸性能直接影響了整體建筑物的防爆炸安全,是建筑抗爆炸設計首要考慮的問題。
  國外在玻璃幕墻抗爆方面的研究已較為深入,制定了相應規范,提出了玻璃幕墻抗爆設計的方法[3][4]。而國內在這方面的研究起步較晚,缺乏足夠的試驗數據。故本文對四邊簡支玻璃幕墻面板進行爆炸沖擊荷載作用下的動力響應試驗。研究分析了不同面板的破壞形式和動力響應特征[5]。
  2 試驗概況
  2.1 試驗方法
  本文采用直立圓筒式核爆炸壓力模擬器對試件加載,試驗加載原理如圖1,2所示。直立圓筒式模爆器由爆炸段、過渡段、試驗段以及點火控制系統等部分組成。爆炸段筒壁上預留可根據需要開啟的泄氣孔;過渡段內設有柵板系統;試驗段則包括充氣腔、試驗介質與結構及平衡基礎。試驗開始時,均勻設置好的導爆索爆炸后產生高壓氣體,經柵板迅速充滿整個空腔,形成較均勻的模擬核爆炸壓力荷載作用于試件上,圖3是作用于試驗段加載面的實測壓力波形。試驗中通過控制導爆索的長度和泄爆孔的開啟個數來調節爆炸所需的超壓值和作用時間。
  2.2 試件設計
  根據模爆器的試驗要求,為了防止沖擊波的繞流,使玻璃面板直接承受沖擊荷載作用,試件測試安裝于預埋在模爆器介質砂里的箱體上,預埋箱體采用鋼材焊接。由于模爆器的直徑為 1900mm,所以箱體內徑尺寸按模爆器的尺寸要求設計為 1000mm×1000mm。如圖4所示。

  玻璃面板尺寸為 1000mm×1000mm,面板支撐為四邊簡支,試件采用鋼材作為玻璃面板的支撐材料,玻璃與支撐框架間用結構膠密封。將制作好的玻璃幕墻試件安裝于預埋箱體上,用螺栓連接,緊固后,安裝后的試件如圖5所示,中間橫桿安裝的為位移計。

  2.3 數據采集原理及設備
  對已標定好的測試系統加電、調試。導爆索起爆后,壓力同時作用于試件和傳感器上,壓力傳感器輸出一個反映沖擊波壓力大小的電信號,電阻應變片和位移傳感器信號實時記錄試件的動力響應特征,經過測試系統采集放大并記錄下來,得到壓力、應變和位移的波形數據。
  1.應變測量原理
  (1)電阻應變片的工作原理
  由物理學原理可知,金屬電阻絲的電阻 R 與長度L 和截面面積 A 有如下關系:

  式中: R—電阻;
  ρ—電阻率;
  L —電阻絲長度;
  A—電阻絲截面積
  應變測量時,應變片粘貼在結構上,隨結構一起發生形變,當應變片發生變形時其長度和截面積都會發生變化,因而阻值發生變化。量測儀器測量其阻值的變化,并根據應變片的靈敏度指標計算得出應變值。
  (2)電阻應變片的電橋測法
  應變片發生變形時的阻值變化極小,其阻值的測量通過電橋法實現。電橋法測量阻值的原理如下:在電橋的橋壓輸入端(Eg+,Eg-)施以恒定電壓,當充作橋臂的應變計阻值發生變化時,電橋的信號輸出端(Ui+,Ui-)電壓將發生變化,通過測量此電壓的變化量即可得到電阻的變化值(圖6)。

  (3)應變量測系統組成
  實際的應變量測系統由四部分組成:應變片、應變放大器、數據采集儀和PC 機。
  應變片:將感受到的應變轉換成電阻的變化。
  應變放大器:內含電橋測量電路,將電阻變化轉換成電壓的變化并進行放大,放大后的信號送入數據采集器。
  數據采集儀:采集應變放大器放大后的信號并將其轉化成數字信號傳送給計算機。
  PC 機:獲取數據采集器上傳的測量值,并根據換算關系轉換成應變值顯示(圖7)。

  2.位移測量原理
  本次試驗用位移傳感器為調頻接觸式位移計,位移計安裝時測桿與試件緊密連接,試件的變形通過測桿的變形經傳感器轉換為調頻信號,再由位移變送器將調頻信號檢出為電壓信號送至數據采集儀并轉換記錄為數字信號儲存(圖8)。

  3.壓力測量原理
  模爆器內壓力測量采用應變式壓力傳感器,其本質仍然是應變的測量,應變測量的基本測量原理同上。壓力傳感器的測量原理如下:在壓力傳感器的承壓面連接有薄壁圓筒,圓筒側壁粘貼有應變片,當承壓面受到壓力作用時,薄壁圓筒也相應發生變形,應變片也隨之變形,因此測量應變片的應變即可測得對應的壓力值。
  4.數據采集設備
  數據采集儀采用江蘇東華測試技術有限公司的 DH5939N 數據采集儀。DH5939N數據采集記錄分析儀是一種高性能的多通道并行數據采集記錄分析系統。系統包括以 A/D 轉換器為核心的數據采集記錄儀,以控制、記錄和分析為目的的微型計算機以及相應的控制軟件和分析軟件。如圖9 所示:

  由上表可以看出,單片玻璃面板在兩組爆炸沖擊荷載作用下,均呈現粉碎性破壞(脆性破壞),玻璃面板完全脫離支撐框,玻璃碎片向四周飛濺,箱體內有大量碎片,即易造成二次傷害。而且在 1.5m導爆索爆炸沖擊作用下,玻璃面板后的位移撐桿也發生較大變形,說明爆炸荷載再使得面板破碎后仍有較大的余量。玻璃破碎圖片如圖11所示。夾膠玻璃和夾膠中空玻璃在不同爆破等級下,分別表現為彈性變形、塑性變形和完全損壞三種形式。當爆破等級較小時,玻璃面板測點處的應變值和位移值都較小,并且隨著荷載的衰減,面板的應變和位移也回歸至零,玻璃面板未發生裂紋,屬于彈性變形。隨著爆破等級的增大,玻璃面板進入塑性變形階段,首先為內片玻璃破損,隨著荷載的衰減,面板的應變和位移不再回歸至零點。爆破等級進一步增大,玻璃面板內外片均完全破損,無繼續承載能力,玻璃中心呈撕裂狀破壞,玻璃沒有完全脫離玻璃框,玻璃沒有發生大面積飛濺,少數玻璃碎片散落,如圖12所示。

  4 結論
  通過對玻璃幕墻在爆炸沖擊荷載作用下的動力響應試驗,可以得出如下結論:
  1.單片玻璃在爆炸沖擊荷載作用下呈脆性破壞,并伴有碎片飛濺,易對建筑的其他構件和人員造成二次傷害,因此在有抗爆炸設計要求的建筑結構中,禁止采用單片玻璃作為抗暴玻璃幕墻的板材;
  2.夾膠玻璃和夾膠中空玻璃能抵抗一定等級的爆炸沖擊荷載,而且其破壞后整體不脫落,沒有碎片飛濺,對人員無二次傷害,尤其是夾膠中空玻璃,抵抗爆炸沖擊波荷載能力較強。在沒有抗爆炸設計要求的建筑結構中,宜采用夾膠玻璃作為建筑幕墻的板材;在有抗爆炸設計要求的重要性建筑中,宜采用夾膠中空玻璃作為建筑幕墻的板材。
  3.炸藥爆炸形成的沖擊波的峰壓力值或沖量值沒有達到夾膠玻璃面板破碎限值時,夾膠玻璃面板的動力響應為彈性響應。隨著沖擊波的衰減,夾膠玻璃面板的變形回歸于初始狀態,當沖擊波的峰壓力值或沖量值超過限值,夾膠玻璃面板變形為彈塑性變形。
  參考文獻
  [1]趙西安.建筑幕墻工程手冊(上冊).北京:中國建筑工業出版社,2003
  [2]秦榮.高層與超高層建筑結構.北京:科學出版社,2007
  [3] U.S. Army Corps of Engineers. (1957). “Design of Structures to resist the effects of Atomic Weapons” Manual EM 1110-345-415, Washington D.C.
  [4] ASTM. (1996). “Standard test method for glazing and glazing systems subjected to airblast loadings” F West Conshohocken, Pa.
  [5] 陶志雄.玻璃幕墻的爆炸動力響應及抗爆炸設計方法:[博士學位論文].上海:同濟大學,2011
  注:陳 峻(華東建筑設計研究院有限公司,上海 200002)
    陶志雄(武漢建筑設計研究院有限公司,武漢 430000)
 

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