摘要：高层建筑玻璃幕墙是现代建筑工程中重要组成部分，也是重要的建筑外围结构，当爆炸事故发生时，如何保证高层建筑内外人员安全就成为重要问题。基于此，本文以高层建筑玻璃幕墙为研究对象，首先介绍玻璃幕墙防爆炸设计理念，进而探讨爆炸冲击波能量的传播形式和破坏特点、玻璃幕墙爆炸荷载的组合定义及幕墙系统受力特点和设计，探讨科学的防爆炸设计方法。
关键词：高层建筑；玻璃幕墙；防爆炸设计
前言
玻璃幕墙防爆设计应充分考量高层建筑工程在面临周边的爆炸事故或炸弹袭击时，出于保证高层建筑工程内部人员安全的考量，应充分结合爆炸事故或炸弹袭击发生的特点，做好高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计工作。
1.玻璃幕墙防爆炸设计理念
1.1设计理念
爆炸事故与炸弹袭击的发生，主要会产生相对直接的气流冲击，会造成弹片及玻璃碎片等物质产生随机散射（暂不考虑其散射的随机性与局部性）。这种情况下，对玻璃幕墙防爆炸性能加以有效发挥，提高玻璃幕墙对于爆炸与炸弹冲击的抵御性能，可以更好地对高层建筑工程内部人员安全起到一定的保护效果。高层建筑玻璃幕墙的防爆炸性能会受到幕墙抗冲击波系统及幕墙细部构造的性能的决定性影响。
1.2安全威胁
高层建筑玻璃幕墙工程中，出于有效提高幕墙工程安全性能的考量，应充分明确炸弹袭击与爆炸事故所具备的安全威胁，出于降低其安全威胁的考量，对产生安全威胁所需的炸药量，确定威胁等级，计算安全距离。但在实际的玻璃幕墙设计中，盲目提高幕墙的安全防范等级上限，会导致高层建筑玻璃幕墙施工成本的盲目增加。针对这种问题，在高层建筑玻璃幕墙设计与施工中，需要模拟高层建筑爆炸威胁情况。通常来说，对于高层建筑爆炸威胁的设计提案为：在公共道路周围的轿车炸弹、高层建筑外墙附近的手携炸弹、高层建筑底层装卸区的运输车辆炸弹、建筑工程底层停车场的汽车炸弹。
1.3保护目标
通过高层建筑玻璃幕墙的防爆炸设计工作，对高层建筑内部人员起到一定的保护效果，避免当爆炸事故发生，不会由于玻璃幕墙破碎与损坏而导致相关人员遭到严重的安全威胁；幕墙损坏的程度不会与爆炸造成的严重程度不相称；高层建筑玻璃幕墙整体结构不会由于爆炸事故与炸弹威胁而出现灾难性破坏或大范围倒塌。
2.爆炸冲击波能量的传播形式和破坏特点
2.1爆炸冲击波能量的传播
爆炸产生时，会形成空气冲击波，而这种冲击波是以爆炸点为核心，以球面波的形式向四周传播，与会爆炸点越近则会遭受越大的冲击。爆炸产生时空气冲击波的传播会出现一定的压力变化，其具体变化情况如图1所示：
图 1 爆炸冲击波能量传播压力变化情况
其中，P0为大气压强，t+为正压持时，t-为负压持时，P+为正压区，P-为负压区。
2.2爆炸冲击波破坏的原理
爆炸事故发生时，冲击波在传播过程中遇到障碍物时，通常产生反射和绕流两种情况。（1）反射情况。当爆炸产生的冲击波在传播中遭遇刚性障碍物，冲击波的质点速度立即归零，冲击波在壁面处质点不断聚集，壁面所遭受的压力和密度不断提升，这种反射的压力和脉冲将会在刚性障碍物表面上产生垂直和水平力的双向作用，导致刚性障碍物壁面发生位移、形变与破裂问题，情况严重的情况下，刚性障碍物的破碎壁面会导致相关人员面临巨大的生命财产安全危险[1]。
（2）绕流情况。通常在爆炸冲击波在传播过程中，如果冲击波所遭遇的障碍物高、宽尺寸都不大的情况下，爆炸冲击波将会绕过障碍物，并在障碍物的相反侧汇聚，会对障碍物内部环境造成破坏性影响。爆炸所产生的冲击波对障碍物内部结构内容物所造成的破坏程度，受到冲击波峰值超压、超压冲量及伴随爆炸产生的动压三个因素的影响。爆炸冲击波所携带的峰值超压可以作为对爆炸冲击波进行衡量的技术参数，同时也是力学设计研究工作的技术出发点。
3.幕墙爆炸荷载的组合定义
不同于其他荷载形式，爆炸产生的荷载属于一种偶然性荷载，即爆炸事故发生的概率实际上非常低，但并不能被完全排除。对高层建筑垂直方向的玻璃幕墙进行抗爆炸设计时，应排除常规荷载(如风力、地震和外力引起的活荷载)因素，就校核情况进行单独计算。在实际设计中，灵活运用1.0的荷载组合系数。
对高层建筑水平方向的玻璃幕墙而言，其支撑框架会在较长时间内受到常规荷载的静态影响，因此对于高层建筑玻璃幕墙爆炸情况进行分析时，应充分考量常规性因素。高层建筑玻璃幕墙所采用的受力型材，在爆炸事故发生时，承担爆炸冲击波荷载时，受力型材会在较短时间内发生瞬时大应变，因此要想提高高层建筑玻璃幕墙的防爆炸性能，提高受力型材静态屈服强度，就必须充分考虑相关因素，保障高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计的合理性，充分避免相关成本的不必要增加。最终确定高层建筑玻璃幕墙结构型材以后，对相关材料动力增加系数(DIF)增大材料屈服应力或试验应力(相当于减小安全系数)。
4.幕墙系统受力特点和设计
4.1爆炸荷载的简化
如上所述，为有效提高高层建筑玻璃幕墙的防爆炸性能，应充分明确爆炸冲击波作为一种偶遇荷载的特性，因此高层建筑玻璃幕墙的支撑结构设计需充分结合弹塑性力学设计方式，高层建筑玻璃幕墙结构复杂的情况下，幕墙在爆炸冲击下，其受力状态可通过近似的线性方程来进行描述与处理，现阶段学术界尚产生统一的荷载规范公式，在就高层建筑玻璃进行防爆炸设计时，对于高层建筑玻璃幕墙结构所采用的竖向型材、横向型材等相关构件的受力分析，主要可通过静荷载简化方式加以实现，进一步完成高层建筑玻璃幕墙进行抗爆炸初步设计。
爆炸所产生的空气冲击波在实际传播过程中表现出非线性衰减，充分结合其具体的受力情况进行计算与分析，其具体计算过程复杂性较高，且不具备较大的实用价值，因此可通过直线来代替冲击波随时间的变化过程，使爆炸冲击波荷载变化情况进一步，形成三角分布荷载，如图2所示。
图2 爆炸空气冲击波变化情况简化示意图
对分析玻璃幕墙的爆炸冲击波影响进行分析时，相关设计准则的确定可充分结合峰值超压Pmax、超压冲量Ft和冲击波持续时间td等技术参数加以确定。在对高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计时，可通过相关经验和爆炸试验等方式加以获取。
4.2幕墙结构的设计
高层建筑玻璃幕墙所采用的材料为脆性材料，受到这种材料特性的限制，应将玻璃进行胶结，以避免在爆炸发生时，碎玻璃片四散冲击对相关人员生命财产安全造成威胁。考虑到减少能源支出的需求，高层建筑的玻璃幕墙可采用中空玻璃材料，对幕墙进行防爆炸设计时，需要在玻璃幕墙内外侧采取胶夹处理方式，通过胶夹处理，避免爆炸发生时，室内外相关人员的生命财产受到严重伤害。对高层建筑玻璃幕墙结构采取防护措施时，其基本原则在于，避免玻璃整体脱离的现象，为强化幕墙玻璃的防爆炸设计效果，可考虑采用硅酮结构胶将玻璃四周粘接到主要受力型材上面[2]。
结语
高层建筑玻璃幕墙防爆炸设计工作应当作为现代建筑工程设计的重要组成，充分明确高层建筑玻璃幕墙的设计需求，结合爆炸冲击波能量的传播形式，结合高层建筑玻璃幕墙爆炸荷载的组合情况，为高层建筑幕墙结构设计提供支撑。
参考文献
[1]陈海杭,肖岩.建筑玻璃幕墙抗爆性能研究综述[J].自然灾害学报,2015,24(06):150-157.
[2]慧聪网. 玻璃幕墙六大安全隐患及解决方法[J]. 新建设：现代物业上旬刊, 2013(7):91-91.
论文作者:马志亮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：玻璃幕墙论文; 冲击波论文; 高层建筑论文; 荷载论文; 幕墙论文; 障碍物论文; 炸弹论文; 《基层建设》2019年第12期论文;