2.2增强自身抗力
建筑开窗最常用的是退火玻璃,此外还有热加固玻璃和回火玻璃。这些玻璃破碎时会产生大块或小块的、锋利的碎片,在冲击波冲击下会高速飞入室内造成人员伤亡和财产损失。
在抵御爆炸荷载的玻璃材料中,夹层玻璃通常是比较合适的选择。与其他玻璃相比,其夹层结构可以减少爆炸、咫风等带来的影响。同时,夹层玻璃还可以添加色彩、反射涂层、丝印图案和颜料,所以夹层玻璃能满足美观、安全和富于表现力的要求。对于玻璃窗户系统,可以通过使用不同类型的夹层安全玻璃来得到高的防护等级。夹层玻璃是用两张火多层清晰\带色彩、低辐射、带图案、用金属线加固或反射的玻璃璃,与一层或多层PVB薄片永久粘合在一起制成。这种玻璃可进行退火,板层可在厚度上改变。保护级别可以由不同层压玻璃配置来实现。当夹层玻璃破碎后,绝大多数玻璃碎片会粘附在PVB胶片上。
中空玻璃由两块玻璃板组合而成,两块玻璃板之间密封有空气。两块玻璃板可以是普通平板玻璃、夹层玻璃或钢化玻璃等。中空玻璃能起到很好的隔热隔音效果。Norville等研究发现,由两片普通单片玻璃构成的中空玻璃能对建筑物内人员起到很好的保护作用。
复合玻璃能充分发挥各层玻璃的抗爆特性,起到很好的抗爆作用。在2001年,Norville提出由两片夹层玻璃构成的中空玻璃能起到最有效的抗爆作用,但由于经济性原因,其在实际中的应用受到限制。这种玻璃在个别建筑中也有所应用,如CCTV新台址的幕墙玻璃,该复合玻璃配置由外向内所用的材料依次是:钢化夹层玻璃+12mm厚中空层+钢化夹层玻璃,其中,钢化夹层玻璃为:8mm厚钢化玻璃+1.52mm PVB膜+8mm厚钢化玻璃。合理确定玻璃单元尺寸和增加玻璃在窗框中支撑深度一饿对玻璃抵抗抗暴荷载有比较明显的提高。此外,还可以通过对窗户添加中框来提高其抗暴能力。
当冲击波荷载较小时,夹层玻璃、中空玻璃、复合玻璃等具有比较好的抗爆效果,但是当冲击波荷载非常大时,要想保证玻璃不发生破坏,就要求玻璃本身以及玻璃框、墙体等必须有足够的强度去承受冲击波荷载,而这些显然很难实现。
2.3碎片阻挡系统
除了增强构件本身的抗力来抵抗爆炸荷载,还有另外一种设计方法,那就是增强结构或构件的耗能能力,即允许构件承受巨大变形甚至遭到破坏,但是不会对建筑物内的人员和财产造成大的伤害和破坏。
2.3.1抗爆防护膜ASF(Anti一Shatter Film)
为了满足玻璃抵抗较大爆炸冲击波荷载的能力,研究机构开发出了许多新的玻璃抗爆防护膜ASF(Anti一Shatter Film)。此类薄膜应用于窗户装配业,是一种低成本的保护措施,能在爆炸时对建筑居住者提供一定程度的保护作用。大多数的ASF都是基于聚酷纤维材料并涂有粘结剂而成,具有透明和着色特性。防护膜贴于玻璃内表面,可以提供建筑美观所需要的色彩和形式。
在低等级爆炸荷载下,可以兜住破碎的玻璃碎片,因此减少了碎片冲击进入室内造成人员伤亡的风险。如果有比较好的锚固,在爆炸荷载下,防护膜在兜住玻璃碎片的同时还可以保持在窗框内,不至于高速飞出伤人。
ASF一般有4种施工工艺标准:第一种方法是直接将防护膜贴于玻璃,无任何锚固,即日光安装。这种方法简单易操作,但是只能提供最小程度的破碎保护,在较大压力作用下,窗框和玻璃有可能连为整体形成袭击,造成更大伤害。第二种方法是边对边安装,此种方法将防护膜深入玻璃的固定槽,可以提供额外的安全性能,但是施工不便,需要把玻璃卸下来。第三种方法是湿法安装,即防护膜用硅树脂球涂抹在框架的边缘,把薄膜和窗扇连接在一起。此种方法相比前两种方法,能够提供更好的安全保护,但是此种方法要求比较高的施工工艺。第四种方法是采用机械锚固措施,防护膜直接贴于玻璃,但是防护膜的四周用钢板或铝板或其他材料以及螺栓等将其连接在窗框或主体结构上,在玻璃破碎后兜住碎片的同时本身又被固定于窗框平面内,不会高速飞出伤人。锚固系统必须设计成具有足够弹性来耗散爆炸冲击能量,允许透明防护膜防护系统变形和弯曲,但是不会在锚固处发生撕裂或者不被玻璃割裂而被冲击飞入室内。此种方法施工较为复杂,但是却有很高的安全性能,将是未来玻璃防护改造的发展方向。K&C公司对此做了深入的理论和试验研究。
2.3.2捕捉系统
如上所述,当爆炸荷载较小时,防护膜可以有效地减小碎片的飞溅:当爆炸荷载比较大的情况下,破碎的玻璃和防护膜有可能会一起高速冲进室内,造成更大的人员伤亡和财产损失。基于此开发出了另外一种防护体系—捕捉系统。捕捉系统主要包括两种类型:防爆窗帘和防护缆索。这两种类型的捕捉系统都需要应用防护膜或者应用夹层玻璃。在冲击波荷载下,玻璃首先破坏,所产生的碎片被防护膜兜住,然后在冲击波荷载下碎片和防护膜以整体形式高速脱离,此时,防护缆索或防爆窗帘可以阻挡其高速飞入室内,从而保护室内人员安全和减小财产损失。
(1)防爆窗帘。
爆炸窗帘由各种各样材料制成,一般有编织布或者聚乙烯纤维等。窗帘被编织成厚度仅有0.737mm(约0.029in)的薄片,并且重量级小。防爆窗帘安装在窗户内部,一般碎片被爆炸窗帘挡住掉落在窗户下方。爆炸窗帘并不能消除玻璃碎片穿透窗户进入室内,但却可以有效地减小碎片飞入室内的距离,起到较好的防护作用。总的来说,由于爆炸窗帘的存在使危险等级显著降低了。但如果人员正好位于爆炸窗帘正后方,且非常靠近时,此时的爆炸仍会受到玻璃碎片的危害。
(2)防护缆索。
防护缆索系统长期以来都被认为是防止大质量、高速度物体飞入室内的有效措施。防护缆索系统由于其良好的弹性和显著的吸收能量的能力,被广泛应用。防护缆索的设计,主要是设十卜缆索的直径、缆索间距以及缆索的锚固。为了确保缆索系统具有足够的能力来阻止破坏了的夹层玻璃或防护膜飞入室内,造成人员伤害和财产损失,K&C公司做了大量的试验和高仿真数值模拟。
由于破坏后的夹层玻璃或兜住碎片的防护膜被爆炸冲击波冲击后高速脱离窗框,被缆索系统阻挡,此时缆索系统发生变形,以此来消耗爆炸能量或者传递给主体结构。在防护缆索的整个工作过程中,有以下3点需要注意:a.防护缆索必须能把爆炸冲击波荷载消耗掉或者安全地传递到主体结构上;b.防护缆索锚固处必须有足够的强度将力传递到锚固结构;c.当玻璃面板高速冲击,可能会出现缆索剪断面板的情况。
3.结语
随着经济的发展,玻璃幕墙越来越多地应用于高层建筑的外立面装饰,一旦遭到恐怖袭击,所造成的损失不可估量。玻璃幕墙的结构设计、构造措施、加工以及施工水平都直接关系到公众安全,而我国目前还没有正式的玻璃幕墙抗爆防护类技术规范、规程或指导手册,所以,玻璃幕墙抗爆防护研究具有重要的价值和意义。