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隨著人類文明的進步,和平與發展成為兩大主流,但由于種族主義、恐怖主義、強權政治和地區經濟發展不平衡所造成的社會矛盾無處不在,所以人類仍然生存在戰爭和恐怖主義襲擊的危險之中,并且襲擊目標逐漸從軍事基地轉變為重要的民用建筑(詞條“民用建筑”由行業大百科提供)、基礎設施和城市標志性建筑。而經濟的發展、文化教育的普及,使人們對大型公共建筑(詞條“公共建筑”由行業大百科提供)的功能和美學要求越來越高。玻璃幕墻裝飾作為一種融建筑技術、建筑功能以及建筑藝術為一體的建筑外圍護構件,在世界各國的高層標志性建筑中被廣泛采用,成為現代建筑的一種標志。在爆炸襲擊時間中,玻璃的散布和碎片的飛濺是人員受到傷害的主要原因之一。這就是要求作為建筑的重要要外圍護構件玻璃幕墻具有一定的防爆性能,即在爆炸事件中能夠有效地減小甚至阻止碎片的飛濺,從而有效地減少傷亡和財產損失。因此現代建筑防護技術將幕墻的防護作為重要的環節。
1.抗爆防護設計目標
美國UFC一4一010一01(建筑防恐最低標準),根據潛在的結構破壞和人員傷亡對新建建筑設定了5個防護等級,見表1。為便于設計人員使用,DOD(美國國防部)頒布了相應的標準,量化地規定了每個防護等級對應的設防炸彈當量及最小防護距離,見表2.
美國總務管理局(GSA)、工業安全委員會(ISC)以及美國試驗材料學會(ASTM)分別制定了:GSATSO1一2003《玻璃和窗戶系統在動態超壓荷載(詞條“荷載”由行業大百科提供)下標準試驗方法》、(ISC)Security Design Criteria for NewFederal Office Buildings and Major ModernizationProjects《新的聯邦辦公大樓和主要的現代化工程安全設計準則》、ASTM F 1642一04 Standard Test Method farGlazing and Glazing System Subjected to AirblastLoadings《玻璃和玻璃系統爆炸沖擊波荷載下的標準試驗方法》。這3個標準建議通過試驗確定玻璃的抗爆能力,如表3及圖1。
ASTM F 2248一03中推薦采用“安全防護距離、TNT當量和3s等效設計荷載關系曲線圖”,根據實際的安全防護距離和TNT當量,可以選出需要采用的3s等效設計荷載,然后根據規范ASTM E 1300一02中介紹的方法對玻璃幕墻進行等效靜力設計。同時規定用于防爆的玻璃必須采用夾層玻璃。
2.防護措施
2.1周邊控制
周邊控制,即通過對建筑物外圍的控制來達到防護目的。外圍控制就是通過一些方法或手段使得爆炸物盡量地遠離建筑。
常規的炸藥質量約為1600kg/m3(約1001b/ft3),相當于一個經過有效包裝的手提裝置,僅僅只有0.014時(約0.5ft3)大小,可以裝在一個大些的公文包或箱子里。這種裝置可以很容易地帶入結構內部,一旦引爆,對結構構件(如承重柱等)會造成相當大程度的破壞,并且對居住者造成相當程度的傷害。因此,在公共場所入口、郵件收發室、裝貨場等地方設立檢查站可以有效的防止此類威脅進入建筑物內部。
車輛可以攜帶更多的炸藥,因此在建筑物外圍應該設置合理的措施防止此種威脅的靠近。防護距離對建筑物抗爆有至關重要的作用。但很多大型的交通中心等,基本上就不存在防護距離或者防護距離不足。最主要的原因就是要想獲得理想的防護距離,建設成本就得增大。防護距離一般都是通過設置柵欄、抗爆墻、防撞柱等使爆炸物和襲擊目標有一定的安全距離。為了美觀起見,也可以使這些防撞裝置融入到街頭景觀當中。
2.2增強自身抗力(詞條“抗力”由行業大百科提供)
建筑開窗最常用的是退火玻璃(詞條“退火玻璃”由行業大百科提供),此外還有熱加固玻璃和回火玻璃。這些玻璃破碎時會產生大塊或小塊的、鋒利的碎片,在沖擊波沖擊下會高速飛入室內造成人員傷亡和財產損失。
在抵御爆炸荷載的玻璃材料中,夾層玻璃通常是比較合適的選擇。與其他玻璃相比,其夾層結構可以減少爆炸、咫風等帶來的影響。同時,夾層玻璃還可以添加色彩、反射涂層、絲印(詞條“絲印”由行業大百科提供)圖案和顏料,所以夾層玻璃能滿足美觀、安全和富于表現力的要求。對于玻璃窗戶系統,可以通過使用不同類型的夾層安全玻璃來得到高的防護等級。夾層玻璃是用兩張火多層清晰\帶色彩、低輻射、帶圖案、用金屬線加固或反射的玻璃璃,與一層或多層PVB薄片永久粘合在一起制成。這種玻璃可進行退火(詞條“退火”由行業大百科提供),板層可在厚度上改變。保護級別可以由不同層壓玻璃配置來實現。當夾層玻璃破碎后,絕大多數玻璃碎片會粘附在PVB膠片(詞條“PVB膠片”由行業大百科提供)上。
中空玻璃由兩塊玻璃板組合而成,兩塊玻璃板之間密封有空氣。兩塊玻璃板可以是普通平板玻璃、夾層玻璃或鋼化玻璃等。中空玻璃能起到很好的隔熱隔音效果。Norville等研究發現,由兩片普通單片玻璃構成的中空玻璃能對建筑物內人員起到很好的保護作用。
復合玻璃能充分發揮各層玻璃的抗爆特性,起到很好的抗爆作用。在2001年,Norville提出由兩片夾層玻璃構成的中空玻璃能起到最有效的抗爆作用,但由于經濟性原因,其在實際中的應用受到限制。這種玻璃在個別建筑中也有所應用,如CCTV新臺址的幕墻玻璃,該復合玻璃配置由外向內所用的材料依次是:鋼化夾層玻璃+12mm厚中空層+鋼化夾層玻璃,其中,鋼化夾層玻璃為:8mm厚鋼化玻璃+1.52mm PVB膜+8mm厚鋼化玻璃。合理確定玻璃單元尺寸和增加玻璃在窗框中支撐深度一餓對玻璃抵抗抗暴荷載有比較明顯的提高。此外,還可以通過對窗戶添加中框來提高其抗暴能力。
當沖擊波荷載較小時,夾層玻璃、中空玻璃、復合玻璃等具有比較好的抗爆效果,但是當沖擊波荷載非常大時,要想保證玻璃不發生破壞,就要求玻璃本身以及玻璃框、墻體等必須有足夠的強度(詞條“強度”由行業大百科提供)去承受沖擊波荷載,而這些顯然很難實現。
2.3碎片阻擋系統
除了增強構件本身的抗力來抵抗爆炸荷載,還有另外一種設計方法,那就是增強結構或構件的耗能能力,即允許構件承受巨大變形(詞條“變形”由行業大百科提供)甚至遭到破壞,但是不會對建筑物內的人員和財產造成大的傷害和破壞。
2.3.1抗爆防護膜ASF(Anti一Shatter Film)
為了滿足玻璃抵抗較大爆炸沖擊波荷載的能力,研究機構開發出了許多新的玻璃抗爆防護膜ASF(Anti一Shatter Film)。此類薄膜應用于窗戶裝配業,是一種低成本的保護措施,能在爆炸時對建筑居住者提供一定程度的保護作用。大多數的ASF都是基于聚酷纖維材料并涂有粘結劑而成,具有透明和著色特性。防護膜貼于玻璃內表面,可以提供建筑美觀所需要的色彩和形式。
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