玻璃幕墻作為建筑的外圍護構件，最先受到爆炸沖擊荷載的作用，因而其抗爆性能將直接影響整個(gè)建筑物的安全性。研究表明，爆炸沖擊波作用到建筑玻璃上，75%的人員傷亡由是高速飛行的玻璃碎片所直接造成的，而沖擊波透過(guò)玻璃裂縫進(jìn)入室內又會(huì )間接造成人員傷亡。在這種情況下，抗爆玻璃研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)?？贡ＡФ噙x用夾層玻璃、中空玻璃或者幾種基本型式合成的復合玻璃，在材料方面多采用鋼化玻璃或者其它新型材料玻璃等。通過(guò)查閱國內外相關(guān)文獻，發(fā)現關(guān)于抗爆玻璃在靜荷載、風(fēng)荷載（詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供）及地震荷載的相關(guān)研究已趨于成熟，但其在沖擊荷載作用下的研究在很多方面還有待完善。文中對爆炸沖擊荷載作用下的玻璃幕墻建筑的抗暴研究現狀做了一個(gè)較全面的綜述。

1.玻璃幕墻抗爆研究與分析方法

應力波作用于構件會(huì )使其內部產(chǎn)生復雜的應力區域并發(fā)生局部破壞，最終導致其承載力能力嚴重降低，因而考慮應力波在構件內的傳播特性是至關(guān)重要的。

目前，玻璃幕墻的抗爆研究與分析方法主要有以下三利，:解析方法、實(shí)驗方法和數值模擬分析法。

1.1解析方法

通常是采用基本的應力波理論、材料力學(xué)、固休力學(xué)、彈塑性力學(xué)和能量原理等基本力學(xué)原理對結構進(jìn)行分析。目前，國內還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)和規范介紹玻璃幕墻的抗暴計算方法，但有時(shí)又需要定量的計算來(lái)驗證設計的正確與否。為此，常采用簡(jiǎn)化的分析方法以此得到比較合理的分析結果，其簡(jiǎn)化如下:①根據爆炸力的特征，幕墻的支撐結構可以考慮按照彈塑性力學(xué)進(jìn)行分析;②框架構件和豎權、橫嵋等配件的受力采用靜荷載的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化;③可以考慮用直線(xiàn)來(lái)代替沖擊波隨時(shí)間的變化過(guò)程，如圖1所示。(其中PQ為標準大氣壓AP+為沖擊波超壓;t+為沖擊波正壓作用時(shí)間)。

基于上述簡(jiǎn)化計算準則，己有很多研究學(xué)者將玻璃幕墻簡(jiǎn)化成等效單自由度模型。Krauthamruer和Altenberg曾采用單自由度模型對爆炸沖擊波負壓在玻璃面板上的作用效應進(jìn)行了分析。除此之外，還有研究人員采用板殼動(dòng)力理論對其性能進(jìn)行研究。高軒能等采用彈性薄板振動(dòng)理論研究了框支承玻璃在爆炸沖擊荷載下的動(dòng)力響應及防爆距離。雖然解析方法以較為簡(jiǎn)潔的形式給出有關(guān)物理量之間的關(guān)系，但是由于爆炸空氣沖擊波荷載、材料本構關(guān)系和邊界條件的復雜性，在實(shí)際應用中會(huì )受到很大的限制，只能運用到極少數簡(jiǎn)單問(wèn)題中。

1.2實(shí)驗方法

通過(guò)開(kāi)展足尺寸的沖擊波實(shí)驗，可以觀(guān)察到玻璃幕墻在真賣(mài)爆炸沖擊荷載下的反應?；趯?shí)驗數據的綜合分析，可以得到其真實(shí)的抗爆性能。常用的玻璃爆炸沖擊波實(shí)驗方法一般有兩種:①距離實(shí)驗，試驗組件對己知特性炸藥的沖擊承受能力;②激振管實(shí)驗，在特意建造的小室內瞬間釋放高壓氣流產(chǎn)生沖擊波。實(shí)際工程中常選用距離實(shí)驗方法，該方法簡(jiǎn)便，并在一定程度上滿(mǎn)足了工程需要。陳峻等采用距離實(shí)驗方法對玻璃幕墻進(jìn)行了沖擊波試驗，并具體介紹了距離實(shí)驗的實(shí)施方法。雖然實(shí)驗研究真實(shí)再現了構件在真實(shí)荷載下的性能，但是隨著(zhù)對沖擊問(wèn)題的深入研究，該方法己無(wú)法達到計算精度的要求。

1 .3數值模擬分析法

數值模擬分析法避免了實(shí)驗方法的危險性和昂貴性，其靈活性和可重復性加快了設計周期，降低了設計成本。在抗爆結構動(dòng)力分析中，常用的抗爆分析軟件有以下種:ABAQUS. LS一DYNAIDYNA3D和AUTODYNA等。目前，傳統數值模擬分析存在以下兩個(gè)問(wèn)題:①沒(méi)有考慮爆炸荷載和幕墻結構的流固禍合計算;②對玻璃與周?chē)考B接作用進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化，分析模型多僅限于玻璃面板。這使得模擬結果難以真實(shí)反應復雜幕墻系統中玻璃的爆炸響應情況。針對上述問(wèn)題，鄧榮兵等利用罰函數，用ALE有限元法進(jìn)行了爆炸荷載與幕墻結構禍合作用的三維動(dòng)態(tài)仿真。隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展以及計算方法的逐步改進(jìn)，數值模擬分析法在解決爆炸問(wèn)題中正發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用。

2 爆炸沖擊荷載下玻璃幕墻的性能研究

國外對爆炸沖擊荷載下玻璃幕墻性能的研究大多集中于抗爆玻璃的破壞強度、玻璃尺寸、動(dòng)力響應、荷載作用時(shí)間、玻璃板的支撐邊界條件及動(dòng)力響應等方面，而國內在這方面的研究還處于起步階段。

2.1玻璃強度

玻璃在常溫下是一種典型的脆性材料，一直到破壞為止，其應力應變呈線(xiàn)性關(guān)系。玻璃表面存在著(zhù)無(wú)數微裂紋，在拉應力作用下，當微裂紋尖端處的應力超過(guò)臨界應力時(shí)，裂紋迅速分裂，最終導致玻璃斷裂。玻璃的理論強度約為1x1010一1. 5x 1Q'0 Pa加2而實(shí)際的強度要比理論強度低得多，與理論強度相差2一3個(gè)數量級。這是由于玻璃的脆性和其表面存在微裂紋、內部存在不均勻區域和缺陷所引起的的應力集中造成的。玻璃的高強度意味著(zhù)安全性，為了提高其實(shí)際強度，可采用：退火、鋼化(淬火)、表面處理與涂層、微晶化、與其他材料制成復合材料等方法。

2.2玻璃尺寸

小尺寸玻璃的強度一般要高于大尺寸玻璃強度，主要是因為玻璃尺寸越小其表面和內部存在缺陷的幾率越低，抵抗荷載和沖擊波的能力越強。故在實(shí)際運用中應嚴格控制玻璃面板的尺寸，不宜使其過(guò)大。顏衛亨等采用有限元分析方法，比較了不同尺寸的玻璃幕墻在爆炸荷載作用下的反應。

2.3荷載作用時(shí)間

玻璃在長(cháng)期荷載作用下，玻璃裂紋會(huì )發(fā)生擴展，直接導致承載能力的降低;玻璃在動(dòng)力荷載作用下，玻璃產(chǎn)生的最大位移隨著(zhù)作用時(shí)間的增加而增加，當無(wú)法滿(mǎn)足撓度要求時(shí)，玻璃發(fā)生破壞。高軒能等采用有限元分析法對夾層玻璃在短期、一氏期靜力和爆炸沖擊荷載作用下的變形進(jìn)行了模擬分析，并在趙西安研究基礎上對夾層玻璃的等效厚度計算公式進(jìn)行了補充。

2.4支撐邊界條件

在玻璃幕墻抗暴設計過(guò)程中，選用不同的邊界條件對結果有很大的影響。應根據玻璃的真實(shí)受力情況，合理選擇玻璃面板的邊界條件。weggel和Zapata通過(guò)兩種不同邊界支撐條件的矩形玻璃板在低速爆炸荷載作用下的研究，得出周?chē)哂邢鹉z墊圈彈性框支撐的玻璃面板其最大拉應力較普通簡(jiǎn)易支撐的玻璃面板可以折減42%一71%。

2.5動(dòng)力響應

建筑玻璃在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應問(wèn)題屬于典型的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題與靜力學(xué)問(wèn)題主要存在兩個(gè)不同點(diǎn):①動(dòng)力學(xué)問(wèn)題要考慮時(shí)間變化因素;②在動(dòng)力分析的過(guò)程中要考慮慣性力效應。當在高應變率的動(dòng)力荷載作用下，還要考慮應變率效應。美國Army Corps of Engineers采用單自由度法得到了彈勝響應譜曲線(xiàn)和彈塑性響應譜曲線(xiàn)，通過(guò)查圖能夠快速地得到建筑玻璃在沖擊荷載作用下的最大動(dòng)位移。

3.抵抗炸彈沖擊波建筑幕墻的設計

建筑玻璃幕墻的抗爆炸設計主要是防范遠距離炸彈(藥)產(chǎn)生的空氣沖擊波對建筑物的破壞。建筑玻璃幕墻的抗暴設計旨在最大限度的減少爆炸沖擊波超高荷載和高速飛濺的玻璃碎片所造成的直接傷害，并減少受攻擊設施或爆炸中心周?chē)O施的修復費用。在具體設計過(guò)程中，應達到以下兩個(gè)要求:①玻璃有足夠的強度來(lái)承受較大當量的爆炸襲擊;②受到爆炸沖擊作用后，玻璃能夠較完好地保持在框架內。

目前，美國有兩個(gè)玻璃抗爆設計標準:UFC 4一010一OI標準10和ASTM F2248一03標準。UFC標準是一個(gè)簡(jiǎn)化的設計方法，ASTM F比UFC能夠適應更大的爆炸威助·的抗爆設計。在我國，還沒(méi)有正式的抗爆設計規范和準則，但在一些重要的工程項目中都有考慮到這方面的問(wèn)題。常規的玻璃幕墻抗爆炸設計往往難以滿(mǎn)足實(shí)際要求，這是由于:①爆炸荷載的量級、位置、概率具有不確定性;②爆炸荷載作用時(shí)間短暫，整個(gè)過(guò)程以毫秒計算;③爆炸荷載作用大，其強度通常遠遠大于其它災害(風(fēng)、地震等)。爆炸沖擊波荷載的上述特點(diǎn)使得整個(gè)動(dòng)力過(guò)程變得非常復雜。

因而，常從概念性設計方面來(lái)進(jìn)行:

(1)玻璃面板宜采用高強玻璃和抗爆玻璃以增強對沖擊波的抵抗能力并減小玻璃碎片對室內人員的傷害。

(2)采用柔性較好的復合結構體系。玻璃幕墻結構在變形過(guò)程中會(huì )吸收部分爆炸產(chǎn)生的能量，這使其對結構的破壞大大降低。復合結構體系較單一的玻璃材料和結構有更好的耗能效果。

(3)合理選用玻璃面板尺寸，采用防爆性能良好的玻璃框架。面板尺寸過(guò)小會(huì )使工期延長(cháng)并影響建筑物的外型;而尺寸過(guò)大則會(huì )由于玻璃自身的缺陷而減小玻璃抵抗沖擊荷載的能力，并增加了破壞后的維修費用。防爆性好的玻璃框架能在爆炸發(fā)生時(shí)對玻璃有充分的約束，增強了整個(gè)系統的防爆性能。

(4)設置防爆墻，防爆墻能阻擋沖擊波作用并且在變形過(guò)程中能吸收爆炸產(chǎn)生的能量。在設計允許的情況下，應盡量將防爆墻設在遠離目標構筑的地方，即擁有足夠遠的安全距離。一般來(lái)說(shuō)，安全距離每增加一倍，爆炸荷載沖擊減少為3-8成。

(5)改善周?chē)h(huán)境設置，例如:應盡量減少周?chē)暗臄盗?，垃圾捅?jīng)常是炸藥的投擲點(diǎn)之一;采用塑性較好的地面，通過(guò)地面的變形成坑達到耗能效果同樣能降低沖擊波對玻璃幕墻的破壞。

4.結語(yǔ)

目前為止，在我國境內尚米發(fā)生針對玻璃建筑的恐怖爆炸襲擊事件，但還是應該提高防范意識，做好防范措施，防止大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。文中介紹了玻璃幕墻抗暴研究與分析的三種方法并簡(jiǎn)要概括了國內外目前針對其在爆炸荷載下的性能研究，最后介紹了一些切實(shí)可行的設計方法。