【摘要】：玻璃幕墻是高層建筑最為脆弱的構(gòu)件,在火災(zāi)下極易發(fā)生破裂和脫落�；馂�(zāi)作用下,玻璃一旦脫落就會形成新的通風(fēng)口與火蔓延通道,造成轟燃和回燃現(xiàn)象的發(fā)生,并最終導(dǎo)致建筑立體交互火蔓延。因此,玻璃的破裂對建筑火災(zāi)的發(fā)展和蔓延具有至關(guān)重要的作用,是火災(zāi)安全領(lǐng)域的一個基礎(chǔ)的、重要的研究課題。本文通過全尺寸實驗、數(shù)值模擬和理論建模等方法對火災(zāi)下玻璃幕墻的破裂行為進行深入研究,揭示其熱力響應(yīng)規(guī)律及微觀動力過程,旨在為玻璃幕墻防火保護優(yōu)化方案和建筑防火提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。本文首先通過16組全尺寸實驗和有限元數(shù)值模擬研究了明框、豎明橫隱、橫明豎隱和全隱框玻璃幕墻在火災(zāi)條件下的破裂特性和規(guī)律�；诓Ａ屏褧r間、表面溫度、總熱流、裂紋起裂和擴展途徑等關(guān)鍵參數(shù)對不同種類框支撐玻璃進行綜合分析,發(fā)現(xiàn)半隱框玻璃幕墻受到結(jié)構(gòu)特點和火源形態(tài)的影響,具有較好的防火性能。對于隱框玻璃幕墻,火源的位置變化將會顯著改變其火災(zāi)破裂特性。通過實驗和理論分析發(fā)現(xiàn)在開放空間下玻璃與火源之間的傳熱模式以輻射傳熱為主,并確定了鍍膜玻璃在真實火場中破裂的臨界條件。將實驗測量溫度作為邊界條件對玻璃加載,利用自行研發(fā)的有限單元軟件成功預(yù)測玻璃的破裂時間、應(yīng)力場、裂紋起裂位置和擴展,與實驗結(jié)果具有較好的一致性。結(jié)果表明玻璃邊框溫度差造成的內(nèi)部應(yīng)力是框支撐玻璃幕墻破裂的主要原因,因此裂紋均起裂于邊框應(yīng)力最大處,從而揭示了不同安裝方式下框支撐玻璃幕墻的破裂機制。通過24組全尺寸實驗和有限元數(shù)值模擬研究了點支撐玻璃幕墻破裂、脫落的特性和規(guī)律�；谄屏衙撀潢P(guān)鍵參數(shù),對比分析不同安裝方式下點支撐玻璃的防火性能變化規(guī)律。結(jié)果表明,支撐點位置變化對點支撐玻璃幕墻的熱響應(yīng)具有顯著影響：玻璃脫落所需的時間隨著支撐點與水平或垂直中心線距離的減小而逐漸減��；支撐點位置在水平方向上的變化對玻璃防火性能的影響比豎直方向更加顯著。此外,點支撐玻璃的破裂脫落行為可分為三類,但均發(fā)生在燃料燃燒的穩(wěn)定階段。通過實驗和理論確定熱應(yīng)力和機械應(yīng)力耦合作用是該種玻璃破裂的根本原因,因此所有裂紋均起始于支撐點,且脫落比例遠高于框支撐玻璃。通過建立數(shù)值模型使用實驗所測溫度對點支撐玻璃幕墻施加均勻和非均勻載荷進行研究并發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果在時間變化趨勢、裂紋起裂和擴展等方面與實驗具有較好的一致性,揭示了點支撐玻璃幕墻破裂的內(nèi)在機制。本文還通過改變火源在玻璃厚度和端面方向的位置,揭示火源位置對玻璃幕墻破裂行為的影響機制,闡明火源位置與安裝方式對玻璃破裂的耦合作用。通過實驗改變火源在厚度方向的位置,分析研究鋼化玻璃與雙層玻璃的防火性能,確定單層玻璃和中空雙層玻璃破裂臨界條件。針對單層和中空玻璃建立基于玻璃表面熱流和光譜吸收規(guī)律的破裂時間理論預(yù)測模型,并通過實驗結(jié)果對理論模型進行有效驗證。通過改變端面方向的火源位置,發(fā)現(xiàn)當火源在玻璃中心區(qū)域時框支撐玻璃幕墻破裂時間最短。而對于點支撐玻璃幕墻,當火源位于支撐點時最容易發(fā)生破裂。本文最后對玻璃破裂的微觀動力學(xué)機制和傳熱機理進行研究。實驗比較透明、鍍膜和磨砂玻璃的斷裂應(yīng)力和微裂紋分布,揭示其防火性能差異致因。探究不同溫度對玻璃臨界斷裂應(yīng)力的影響,與全尺寸火災(zāi)實驗對比,揭示玻璃破裂內(nèi)部傳熱機制和極限斷裂應(yīng)力、線膨脹系數(shù)、溫度梯度等關(guān)鍵參數(shù)微觀動力學(xué)變化規(guī)律。
【圖文】：

據(jù)Ｗ及基于最大周向應(yīng)力判據(jù)來判斷巧璃的裂紋擴展速度和裂紋擴展方向，最終逡逑得到裂紋的起裂和擴展行為。該研巧結(jié)果與商用軟件ＡＮＳＹＳ進巧對比，具有很逡逑好的一致性口２，邋６７］，如圖１．６所示。逡逑、邐八Ｍ邐…７邋２００９逡逑／＼ｌｖ邐２０：０８：３２逡逑Ｖ０ＤＡＬ邋ＳＯＬｔｎｉＯＢ逡逑＾邋勺Ｅ：ｉ逡逑y睉T戶１１逡逑Ｍｍ邋ｉｉ邋Ｉ邋＃１１逡逑Ｉ．邋＾邋１邋＝逡逑畫邋１邋３６Ｅ＋０６邐■邋＂ｅｉ＊0ｅ逡逑圖１．６邋ＥＡＳＹ和ＡＮＳＷ結(jié)果對比逡逑：逡逑１１逡逑

Ｗａｖｅｋｎｇｔｈ．邋ＸｆＭｍｌ邐＼Ｖａｖ瓜巧化、１邋卿邋ｊ逡逑圖１．５玻璃的光譜吸化系巧［６３，邋６４］逡逑在玻璃破裂時間預(yù)測方面，上述研究主要集中在一維、二維傳熱分析，得到逡逑玻璃溫度曲線后根據(jù)溫度差判據(jù)來預(yù)測破裂玻璃的破裂和脫落時間。近些年，隨逡逑著研究的深入，，玻璃破裂的Ｈ維模型也逐漸得到建立。中圍科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華逡逑課題組與英國華威大學(xué)Ｊｅｎｎｉｆｅｒ邋Ｗｅｎ課題組展開深入合作，利用有限單兀法首次逡逑實現(xiàn)玻璃破裂Ｓ維模型的建立，并且共同開發(fā)了玻璃破裂預(yù)測Ｈ維軟件ＥＡＳＹ［２２，逡逑６５－６７］。該軟件能夠?qū)ΣＡг诨馂?zāi)下的應(yīng)力分布進行精確預(yù)測，并采用eNNB拉應(yīng)逡逑力判據(jù)、庫侖－莫爾判據(jù)和最大主應(yīng)力判據(jù)等確定性判據(jù)來判斷玻璃是否發(fā)生起逡逑裂。裂紋發(fā)生后，采用基于應(yīng)力強度因子復(fù)合判據(jù)、基于能量巧放速率的復(fù)合判逡逑據(jù)Ｗ及基于最大周向應(yīng)力判據(jù)來判斷巧璃的裂紋擴展速度和裂紋擴展方向
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU352.5;TQ171.72

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本文編號：2574361