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单片防火玻璃受热破裂的机理分析

发表时间:2021-05-06 09:41 浏览:

  1985年,世界火灾学之父,哈佛大学的Emmons教授在第一届国际火灾大会上首先提出了“玻璃破裂是火灾研究中重要的结构问题”。许多研究人员通过实验、理论、数值模破裂机理和预测模型法来探究玻璃在火灾中的破裂机理和预测模型,并且发现由温差形成的内部热应力是玻璃受热破裂的主要原因。玻璃在制作和加工过程中,内部热应力及表面张力变化产生的微小裂纹(瑕疵)随机分布在玻璃内部,导致裂纹起裂具有很强的随机性,而且一旦起裂,裂纹的扩展速度往往大于2000m/s ,其形成“孤岛”并且脱落速度很快,最终玻璃完全破裂失效。火灾中玻璃的破裂主要分为两个阶段,第一个是火源和热烟气向玻璃的传热过程,另一个是玻璃温度不均匀产生热应力导致其破裂和脱落的过程。当然火灾中的玻璃还可能存在第三阶段,即玻璃在软化温度之前有效抵抗了热变形而未破裂,而是随着火灾持续升温直至高温下软化流变失效的过程。

单片防火玻璃受热破裂的机理分析

  第一个阶段的玻璃传热是非常复杂的过程,涉及到一维、二维和厚度方向上三维的温度分布,主要是辐射造成的分布和对流传到的双重影响,还有玻璃材质、玻璃结构的影响。张毅等人论文指出,发生火灾时,玻璃暴露表面受到火源和烟气的热辐射、热传导和热对流作用,到达较高温度。而玻璃被边框遮蔽的表面不能直接受到火源和烟气的热辐射、热传导和热对流作用,导致遮蔽表面温度较暴露表面温度低。由于玻璃是热的不良导体,暴露表面的温度并不会很快传递到遮蔽表面和玻璃背火面。随着火源热释放速率的不断提高,玻璃暴露表面与遮蔽表面、玻璃向火面与背火面之间的温度差不断增大,当温度差产生的热应力达到玻璃表面所能承受的临界应力时,玻璃表面就会产生裂纹。一般来说火灾场景下玻璃的首次破裂发生在玻璃的边缘部分,不少研究者通过实验找出玻璃破裂的基本温差,Keski-Rahkonen研究认为普通钠钙硅玻璃破裂临界温差为80℃,Skelly研究普通玻璃在火灾中的破裂行为,其实验测量到的温差为90℃,Xie做了钢化玻璃的破裂温差的研究,发现6mm厚钢化玻璃破裂温差为330~380℃,10mm厚钢化玻璃的破裂温差为470~590℃等。

  目前所有研究者的实验结果都统一地认为玻璃表面温差是玻璃破裂的内在机理,即当温差产生的热应力应力大于玻璃的极限抗拉应力时,玻璃就会发生破裂。因此实际应用中分析研究玻璃的热炸裂问题,主要是分析玻璃温度分布的规律和影响因素,对于防火玻璃的应用场景而言,需要考虑火源特征、热传导模式、四周遮蔽框式安装、环境风压等综合因素的影响。首先火灾环境下热辐射往往占到很大比例,火焰和高温烟气的辐射在穿透玻璃时被部分吸收,研究数据表明对于6mm的玻璃,63%的辐射被1mm的厚度所吸收,因此厚度方向上存在辐射温度梯度。此外,不论是厚度方向还是平面方向上,玻璃的温度梯度会受到热辐射和对流、传导三种因素的影响,尤其是双层或多层玻璃时,产生温度差异的关联因素将更加复杂。此外,在建筑外墙防火玻璃遭遇火灾时,由于玻璃遮蔽位置和遮蔽面积的不同造成热载荷分布差异显得更为重要,玻璃的遮蔽区域由于没有受到火源的辐射载荷作用,其温度升高主要来源于非遮蔽区域的热传导,因此遮蔽区域的温度相比较非遮蔽区域温度明显较低,形成的温度差热应力的主要来源,对于有框遮蔽的玻璃结构,最大应力总是产生在玻璃板卜遮蔽与非遮蔽区域的交界处,可认为是裂纹起裂最为危险的区丛同样有研究表明,火源位置对玻璃的受热破裂行为影响显著,裂纹更容易从高温区(火源位置)起裂,随着火源和玻璃趾离的增加,玻璃的临界破裂时间也相应增加。研究者通过调整火源位置改变玻璃表面温差,进行玻璃的临界破裂条件和破裂危险期分析,通过大量统计实验表明在火场中玻璃的破裂和脱落往往发生在火势的稳定发展期,该阶段火焰和烟气容易发生蔓延,从而在火灾演化中造成非常严重的后果,因此可以说玻璃的破裂或火灾蔓延是相互动态影响的。

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