风载荷和水喷淋作用下玻璃(幕墙)的火灾响应规律及破裂机理研究

The breakage and fallout of glass façades play a crucial role in building fire development, thus are one of the most important research contents in building fire dynamics and structure fire resistance. In this project, two self-designed apparatuses are used to simulate the wind load and water sprinkler that glass façades subject under real fire conditions. Using experimental setup of high speed camera, hot-wire anemometer, pressure sensor, heat flux gauge and sheet thermocouples, the thermal response of glass façades and its micro dynamic process during breakage and fallout can be obtained. Then based on the experimental results and the theories of heat and mass transfer, hydromechanics and fracture mechanics, the mechanism of thermal fracture of glass façades under wind load and water sprinkler action can be revealed. Finite element method is also employed to conduct the numerical analysis concerning the variation of mechanical stress, thermal stress and pressure load in glazing. Finally, the fire protection design for glass façades with different types and installation forms can be proposed. The present study can also provide theoretical and technical support for building and structural fire safety.

建筑发生火灾时玻璃窗或幕墙的破裂脱落对火灾发展起到至关重要的作用，是建筑火灾动力学和结构抗火十分重要的研究内容之一。本项目利用热载荷作用下玻璃破裂脱落实验台以及水喷淋作用下玻璃的火灾响应实验台，结合高速摄像、热线风速仪、压力传感器、热通量计、贴片式热电偶等测量手段，一方面，实验研究火灾时的热载荷与风载荷和(或)水喷淋共同作用下玻璃(幕墙)的热力响应规律以及破裂脱落的微观动力过程。另一方面，结合实验研究结果，基于传热传质理论、流体力学和断裂力学等基础知识，利用有限单元法对玻璃(幕墙)进行机械应力、热应力以及压力载荷的数值模拟分析，揭示外界风和(或)水喷淋作用下玻璃(幕墙)的火灾响应规律和破裂机制。在此基础上提出不同类型以及安装方式玻璃(幕墙)的防火设计方案，为建筑防火和结构抗火提供理论基础和技术支撑。

窗玻璃作为建筑防火的薄弱构件在设计中经常被忽视。在火灾环境中，玻璃因受热产生热应力，当热应力大于其自身的临界破裂应力时，会导致玻璃破裂甚至脱落。玻璃在火灾环境下的破裂，会进一步引起火灾向隔壁区域蔓延，加大火灾的危险性。本项目系统研究了不同辐射作用下，不同遮蔽宽度对四周遮蔽安装方式的玻璃幕墙破裂的影响以及不同升温速率情况下玻璃裂纹演化规律。分析并揭示了中空玻璃在火灾环境下的破裂行为规律。研究了单层，中空和夹层三种不同种类玻璃在火灾中的传热和破裂行为。自行开发了玻璃幕墙裂纹动态扩展软件EASY，并采用EASY研究了玻璃面板尺寸对玻璃幕墙火灾响应规律。开发了热荷载作用下奇异的基于边的光滑有限元法、基于边的光滑有限元法和有限元法的准静态裂纹扩展程序。构造了五节点裂纹尖端单元的集中质量矩阵和一致质量矩阵，分别开发了奇异的基于边的光滑有限元法，以及基于边的光滑有限元法和有限元法动态裂纹扩展程序。通过改变玻璃所受到外界风的速度，观测火灾和风荷载共同作用下玻璃起裂、裂纹扩展并建立传热和传导模型，利用有限单元法对玻璃幕墙进行机械应力、热应力以及风载荷耦合分析，揭示外界风作用下玻璃的火灾响应规律和破裂机制。基于实验研究，结合传热传质理论、流体力学和断裂力学等基础知识，建立了玻璃在火灾和水喷淋作用下的破裂模型，揭示其破裂机理。