爆炸条件下建筑物门窗玻璃破坏效应及防护研究

Under the accident blast caused by terrorists attacks and etc., the glasses of the building windows are fractured and ejected backwards with the high velocity, which will bring great harm to the human lives and properties. The researches of the dynamic responses of the building glazing under the impact loadings have drawn much attention recently, while the thorough investigations are still limited. Based on the theoretical, numerical simulation and experimental investigations, the constitutive model of glazing which includes the strain-rate and the temperature effects is established. The analytical model and approaches for investigating the dynamic responses of the glass doors or windows under the coupled effects of the blast and fire loadings are proposed. The damage and failure mechanism of the glazing is revealed. The anti-blast design approaches of the building glazing are attained. The main and efficient retrofitting and reinforcing measures are given. The conclusions of this subject would provide theoretical and technical supports for the anti-blast design of important structures, such as government buildings, public structures, subway stations, airport and son on. This has important theoretical and practical meanings in the development of the anti-blast theory and application techniques, reducing the human casualties and property losses in the accidental events, as well as maintaining the social stability.

恐怖袭击等偶然爆炸条件下建筑玻璃剧烈破坏高速飞散，严重威胁人民生命财产安全，建筑玻璃抗偶然性冲击爆炸日益受到重视，但研究还不够深入。本课题通过理论分析、数值模拟和试验研究，建立考虑应变速率效应以及耦合考虑应变速率效应和温度效应的玻璃材料本构模型，建立爆炸荷载单独作用或与火荷载联合作用下建筑门窗玻璃的动力响应分析模型和方法，揭示建筑门窗玻璃的破坏机理和损伤机制，建立建筑门窗玻璃的抗爆设计方法，提出爆炸条件下建筑门窗玻璃的防爆减爆的关键技术和有效手段，为我国重要政府建筑、大型公共建筑、地铁车站、机场航站楼等重要建筑物门窗玻璃结构反恐防爆等偶然性爆炸提供理论支持和关键技术。本项目研究对发展工程结构抗爆防爆的理论方法与应用技术、减少偶然爆炸等突发事件中人员伤亡和财产损失、维护社会和谐稳定，具有重大的理论意义和社会意义。

本课题通过理论分析、数值模拟和试验研究，对爆炸条件下建筑物门窗玻璃的动力响应特征及破坏机制展开了研究。主要工作和结论：（1）开展了建筑玻璃的应变速率试验研究，得到了不同应变率下玻璃材料的动态拉伸强度和动态压缩强度的增大系数，建立了爆炸荷载作用下的玻璃材料本构模型.（2）改进了动荷载作用下玻璃板破坏强度和破坏时间的预测模型。模型验证对比表明，该改进模型可较好地用于动荷载作用下玻璃板的破坏应力和破坏时间的分析预测，且不受玻璃板形状和边界条件的限制。（3）进行了一系列建筑玻璃在室内燃气爆炸下的破坏试验研究，分析了燃气浓度、泄压强度和泄压面积对爆炸荷载的影响，揭示了室内燃气爆炸荷载规律。（4）得到了不同种类建筑玻璃的破坏效应及破坏特征：燃气浓度为9.5%时，玻璃破坏形成的碎片速度最快；四角固支的玻璃碎片速度远小于四边固支；浮法玻璃裂纹呈径向分布，破坏后形成尖锐碎片，易对人员造成严重的伤害；钢化玻璃裂纹极为细密，破坏后形成极多微小颗粒；夹层玻璃的裂纹呈“X”形分布，破坏后形成的碎片粘结在PVB胶层上。（5）提出爆炸荷载作用下玻璃碎片飞散的模拟的节点分离法，通过模拟发现玻璃在爆炸波作用下迅速发生破碎，并产生正向运动的飞散碎片，还会产生部分反向运动的玻璃碎片。模拟飞散破坏情况基本与实验高速摄影结果一致，得到的碎片飞散速度也与试验值吻合较好。最后分析得到了玻璃碎片的速度累积概率曲线。通过该曲线可以方便地得出碎片飞散速度的范围，判断出反向运动碎片的比例。（6）基于等效荷载的GFPM（Glass Failure Predict Model）方法，结合有限元软件编制GFPM计算程序并进行了验证，得到了一些玻璃板承载能力的影响变化规律。研究成果为我国重要建筑物门窗玻璃结构反恐防爆等偶然性爆炸提供理论支持和关键技术。