蘇燕飛，王青松，趙 寒，邵光正，王 禹，孫金華（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026）

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中空玻璃受熱破裂行為規(guī)律研究

蘇燕飛，王青松＊，趙 寒，邵光正，王 禹，孫金華
（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026）

摘要：研究了單層玻璃厚度為6mm，兩塊玻璃間距為6mm的中空玻璃的受熱響應(yīng)規(guī)律，分析了向火面和背火面玻璃板的表面溫度、玻璃板向火面中心點處的熱通量、兩塊玻璃的破裂時間、裂紋形態(tài)以及玻璃脫落情況等。定義玻璃邊長區(qū)域范圍為［－0．5L，0．5L］，則玻璃首次起裂點均位于被遮蔽邊上，且在［－0．25L，0．25L］的范圍內(nèi)。進(jìn)一步研究了遮蔽方式對中空玻璃破裂行為的影響，在本實驗條件下，四邊遮蔽的向火面玻璃最易破裂，且左右垂直遮蔽比上下水平遮蔽情況下脫落程度嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：中空玻璃；熱荷載；熱響應(yīng)；破裂；遮蔽方式

0　引言

中空玻璃是由兩層或者兩層以上的玻璃組成，具有保溫效果好等優(yōu)點，在我國北方建筑中得到廣泛應(yīng)用。中空玻璃在熱荷載作用下，尤其是在火災(zāi)情況下，各層玻璃很有可能依次或者幾乎同時破裂甚至脫落，形成新的通風(fēng)口和引燃點，加速或者擴(kuò)大火勢的發(fā)展，而脫落的玻璃碎片會給人員的逃生、疏散等帶來巨大阻礙，從而造成更大的人身傷亡和財產(chǎn)損失。因此中空玻璃在熱荷載作用下的破裂行為及其耐火性能的研究是建筑火災(zāi)安全的重要課題之一。

自Emmons［1］提出研究在火災(zāi)情況下玻璃破裂行為的重要性后，越來越多學(xué)者開展了相關(guān)研究。Shields［2，3］等人研究了在室內(nèi)火災(zāi)情況下的普通中空玻璃的受熱行為，得到玻璃溫度及應(yīng)力場和開裂時間等。Cuzzllo［4］和Pagni［4－6］在單層玻璃破裂程序BREAK1的基礎(chǔ)上開發(fā)了適用于室內(nèi)火災(zāi)以及城市／林野混合火災(zāi)的雙層玻璃破裂模型，并將基于MathCAD的McBreak計算機代碼植入上述模型中。后來Shields［7］等人在燃燒室中進(jìn)行了玻璃受熱的破裂行為研究，研究其在不同油盤尺寸下的破裂行為，并開發(fā)了一個簡單的集總模型來預(yù)測玻璃對入射熱通量的響應(yīng)情況，得出了玻璃的完整性與其第一次開裂時間有關(guān)的結(jié)論。Huizinga［8］從實驗及模擬兩方面進(jìn)行了雙層中空及三層中空玻璃的破裂行為對比研究。Ni［9］等進(jìn)行了由中空玻璃與夾膠玻璃組成的雙層幕墻的火災(zāi)破裂行為實驗研究。國內(nèi)對中空玻璃的研究主要集中在對產(chǎn)品的改進(jìn)、應(yīng)用及節(jié)能上，對破裂行為研究較少［10，11］。因此本文針對中空玻璃受熱破裂及脫落行為進(jìn)行了研究，將有助于加深對中空玻璃破裂機理的認(rèn)識，提高建筑物，尤其是大面積使用中空玻璃的幕墻及開闊大廳等建筑的防火安全設(shè)計水平，對制定人員逃生及滅火救援方案等也有重要的參考價值。

1　實驗

實驗裝置主要由火源、玻璃及框架體系和測量系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。實驗中采用了工程中常用的平面尺寸為600mm×600mm的中空玻璃，在厚度方向依次為6mm（玻璃板厚度）＋6mm（空氣夾層厚度）＋6mm（玻璃板厚度）。為便于分析起裂點位置等參數(shù)，定義玻璃長寬尺寸均為L，邊長區(qū)間長度為［－0．5L，0．5L］，其正負(fù)確定原則為在豎直兩條對邊的中點上方及水平兩條對邊中點右側(cè)為正，豎直兩條對邊中點下方及水平兩條對邊的中點左側(cè)為負(fù)，如圖1所示。測量系統(tǒng)主要包括溫度測量、熱量測量和記錄實驗過程，實驗使用K型熱電偶測量溫度、水冷熱流計測量玻璃表面的熱流、使用攝像機記錄整個實驗過程。

圖1　實驗簡圖Fig．1 The schematic of the experiments

實驗采用500mm×500mm的方形油盤火源，能使玻璃表面均勻受熱，且接近真實火災(zāi)情況，即整片玻璃均處于火災(zāi)環(huán)境中。為確保玻璃發(fā)生破裂，將油盤從距玻璃表面700mm按50mm依次遞減進(jìn)行了預(yù)實驗。預(yù)實驗結(jié)果表明，在500 mm× 500mm油盤火災(zāi)作用下，距中空玻璃表面700mm、650mm、600mm、550mm以及500mm處，僅能使向火面玻璃破裂，不能使背火面玻璃破裂，且向火面玻璃均未發(fā)生脫落。當(dāng)火源和玻璃表面距離為450mm時，向火面和背火面玻璃均可破裂。因此，為研究火災(zāi)環(huán)境下中空玻璃的破裂行為規(guī)律，本研究選取火源中心線距中空玻璃表面的距離為450mm，玻璃下邊緣距地面高度為200mm。水冷熱流計所在位置與框架上的中空玻璃中心等高，距火源中心線550mm。攝像機攝像頭中心點與玻璃豎直放置時的中心等高，水平高度為500mm。

工程實際中常用的玻璃幕墻按遮蔽方式主要可分為四邊遮蔽、左右垂直遮蔽、上下水平遮蔽等。因此，本研究設(shè)計了3種遮蔽模式，包括四邊遮蔽、左右垂直遮蔽和上下水平遮蔽三種安裝方式，如圖2所示。

圖2　三種不同的遮蔽方式Fig．2 Three different shielding methods

圖3　中空玻璃側(cè)視橫截面示意圖（TC2－1和TC3－1是預(yù)置貼片熱電偶，從向火面到背火面將兩片玻璃的四個面分別編號為S1，S2，S3和S4）Fig．3 The schematic cross sectional view of hollow glass（TC2－1and TC3－1were preset thermocouples，and four surfaces of hollow glass were assigned as S1，S2，S3and S4from exposed side to back side）

由于實驗具有一定的隨機性，因此每種遮蔽模式至少實驗3次，在實驗過程中，共計開展了11組實驗，其中4組為四邊遮蔽，4組為上下水平遮蔽，3組為左右垂直遮蔽，如表1所示。除遮蔽方式不同外，其余實驗條件保持一致，且玻璃邊緣被框架遮蔽的寬度均為15mm。

實驗所用中空玻璃由兩塊玻璃構(gòu)成，因此，具有4個玻璃表面，如圖3所示，自向火面至背火面分別使用S1、S2、S3和S4表示，其表面布置的熱電偶分別表示為TCx－y，其中x為玻璃面序號，y為熱電偶序號。實驗中共布置13只熱電偶，如圖4所示，其中12只用來測量中空玻璃表面的溫度，1只用來測量玻璃S1表面前方5mm處的空氣溫度。在四邊遮蔽情況下布置12只熱電偶，在上下水平遮蔽和左右垂直遮蔽情況下布置10只熱電偶，其相應(yīng)未遮蔽邊緣布置1只熱電偶。

表1　實驗工況劃分Table 1 The design of the experimental conditions

圖4　各玻璃面板上熱電偶分布圖Fig．4 The distribution of thermocouples on each surface

2　結(jié)果和討論

2．1 熱通量隨時間變化曲線

實驗測得的距火源450mm處的熱通量變化如圖5所示。在點燃之后，熱載荷強度逐漸增大。隨著時間增加，由于火焰的跳動，導(dǎo)致熱通量也隨之波動，但熱通量總體趨于穩(wěn)定，并維持在25kW／m2附近。

2．2 玻璃溫度隨時間變化規(guī)律

圖5　距500mm×500mm油盤450mm處的熱通量曲線Fig．5 The heat flux curve measured at 450mm away from 500mm×500mm oil pan

點火后，玻璃的溫度變化如圖6所示，向火面未被遮蔽的測點TC1－1，TC1－2，TC1－3，TC1－4和TC1－5測得的溫度值大于向火面被遮蔽的測點TC1－6，TC1－7，TC1－8和TC1－9。而TC1－1和TC1－2由于所在位置都平行于火源中心線，所以變化趨勢基本一致。與TC1－1和TC1－2在同一條豎直線上的TC1－4，雖然位于中空玻璃的最下方，離油盤邊緣也較近，但是由于羽流驅(qū)動，絕大部分熱量被帶到上方，較少的一部分熱量用來加熱TC1－4區(qū)域的玻璃，所以相對TC1－1和TC1－2，TC1－4的溫度要偏低。中空玻璃S1、S2、S3和S4四個面中心處測點TC1－1，TC2－1，TC3－1和TC4－1呈現(xiàn)出由于玻璃板及中間空氣層的存在導(dǎo)致的較明顯的溫度梯度。這里值得一提的是向火面上邊緣被遮蔽處的熱電偶TC1－6。由于上升羽流的作用，火源的熱量大部分被帶到了上方，雖然此處的熱電偶TC1－6與玻璃之間墊了一定厚度的防火棉用來隔熱，但是上升羽流通過縫隙對TC1－6區(qū)域的玻璃產(chǎn)生了一定的影響。由于火源的持續(xù)作用，使得TC1－6處溫度持續(xù)增高。

2．3 遮蔽方式對脫落的影響

各安裝方式實驗條件下中空玻璃向火面和背火面破裂時間及脫落情況如表2所示。從表2中我們可以看出，四邊遮蔽向火面玻璃首次開裂平均時間為88s，少于上下水平遮蔽工況下的126s和左右垂直遮蔽工況下的105s。而對于背火面玻璃，僅統(tǒng)計起裂情況，三種遮蔽方式下的首次開裂平均時間為496s、524s和422s。

四邊遮蔽、左右垂直遮蔽及上下水平遮蔽這三種安裝方式中，四邊遮蔽情況下中空玻璃前后兩片均未有脫落情況發(fā)生，而且向火面玻璃首次破裂用時低于另外兩種安裝方式，如表2所示。這是因為向火面玻璃出現(xiàn)破裂后，有些實驗中甚至出現(xiàn)由裂紋交織成的“孤島”，由于框架約束，玻璃碎片仍保持原位，或僅有較小縫隙，但并未脫落，不足以導(dǎo)致大量熱量直接傳輸?shù)奖郴鹈娌Ａ?，所以延遲了背火面玻璃直接受到火源輻射的時間。同樣也是由于四邊框架的約束作用，背火面玻璃在累積到足夠大的溫差或應(yīng)力導(dǎo)致開裂以后，也很難發(fā)生玻璃碎片從四邊遮蔽的框架中脫落的現(xiàn)象。

上下水平遮蔽工況下脫落最嚴(yán)重的一組向火面玻璃脫落49．1%，背火面玻璃脫落25．8%，而左右垂直遮蔽工況下脫落最嚴(yán)重的一組向火面玻璃脫落了55．4%，背火面玻璃脫落了96．6%，以上結(jié)果表明中空玻璃在上下水平遮蔽方式下比在左右垂直遮蔽情況下脫落程度較輕。這主要是因為在左右垂直遮蔽安裝方式情況下，玻璃碎片不會受到水平方向邊框的約束或支承，受玻璃本身重力的影響，一旦玻璃板有較大面積形成“孤島”，就會出現(xiàn)大面積的脫落，進(jìn)而影響火源對背火面玻璃的熱輻射作用，加速背火面玻璃的溫差及應(yīng)力積累，最終導(dǎo)致背火面玻璃的開裂及脫落。而上下水平遮蔽安裝方式中的玻璃板在開裂后，原本提供上下水平遮蔽作用的水平框架此時也給玻璃碎片提供了一定的支承或約束作用，即使玻璃碎片受到以重力為主導(dǎo)的作用力，也不會全部脫落。這延遲了向火面玻璃碎片脫落時間，同時也延遲了背火面玻璃直接受到火源輻射的時間。因此，相對于左右垂直遮蔽工況，上下水平遮蔽工況有較長的脫落時間和較小的碎片脫落比例。

圖6　玻璃中心點及向火面溫度隨時間變化曲線圖（實驗編號E04）Fig．6 The temperature at the central point of all the glass surfaces and all the monitoring points on the exposed side vs time（Test E04）

表2　中空玻璃破裂參數(shù)Table 2 The experimental fracture values of hollow glass

對于E11中出現(xiàn)的背火面玻璃脫落程度大于向火面玻璃的情況，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)該組中空玻璃的向火面玻璃破裂以后，沒有出現(xiàn)豎向的貫穿整個向火面玻璃的大裂紋，結(jié)果有一塊玻璃被夾持在左右垂直約束良好的框架內(nèi)，直到實驗結(jié)束也沒有脫落。雖然向火面存在一塊面積較大的玻璃未脫落，但是來自火源的熱量依然可以通過其它已脫落位置對背火面玻璃進(jìn)行加熱。貫穿豎向的大裂紋導(dǎo)致了背火面玻璃全部脫落。

對于四邊遮蔽情況，向火面玻璃首次起裂點位于左右垂直兩邊受遮蔽區(qū)域；在上下水平遮蔽和左右垂直遮蔽情況下，首次起裂點位置分別位于上下水平被遮蔽區(qū)域和左右垂直被遮蔽區(qū)域，如表2所示。這是由于向火面玻璃在鄰近火源的熱輻射作用下，未被遮蔽區(qū)域升溫較快，被遮蔽區(qū)域升溫較慢，導(dǎo)致玻璃板內(nèi)部溫差和應(yīng)力累積較快，結(jié)果最先達(dá)到最大溫差或應(yīng)力極限，導(dǎo)致玻璃的首次開裂。而背火面玻璃首次開裂的起裂位置，則沒有出現(xiàn)這種規(guī)律。這是因為背火面玻璃在向火面玻璃沒有較大面積脫落的情況下，接受到來自火源的直接作用比較有限，它的溫差和應(yīng)力累積沒有直接受到火源的影響，因此首次開裂的位置較為隨機。

向火面和背火面玻璃的首次起裂點一般位于被遮蔽邊上［－0．25L，0．25L］的范圍內(nèi)，并沒有出現(xiàn)在矩形玻璃的四個角附近。這主要是由于玻璃的四個角處于兩條邊的相交處，微單元所受的應(yīng)力狀態(tài)相似，各應(yīng)力作用合成后互相抵消，不易出現(xiàn)較大的單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，所以裂紋很少從這四個角附近產(chǎn)生。而各邊中部區(qū)域由于沒有受到框架邊緣的機械應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)則較為簡單，玻璃作為脆性材料當(dāng)受到的拉應(yīng)力達(dá)到其應(yīng)力極限后就隨即開裂。

對于背火面玻璃未破的E03、E06和E09實驗，它們的向火面各測點在向火面玻璃破裂時的最大溫差165．7℃（同種工況下其他各組實驗分別為134．5℃，126．1℃，125．4℃），160．1℃（同種工況下其他各組實驗分別為114．7℃，127．5℃，112．2℃）和126．5℃（同種工況下其他各組實驗分別為82．5℃，96．2℃）比同種工況下其他各組實驗的偏差略大，如表3所示。

表3　三種遮蔽方式下向火面玻璃破裂時的部分參數(shù)Table 3 The experimental fracture values for the exposed glass broke under the three kinds of shaded modes

2．4 脫落過程中的形態(tài)變化

E08實驗中，自點火起147s，向火面玻璃在下邊緣起裂，延伸出數(shù)條裂紋。隨后與上邊緣中點起裂的數(shù)條裂紋交匯，并在339s發(fā)生脫落現(xiàn)象，如圖7（a）所示。向火面玻璃在第401s、459s、526s時刻繼續(xù)裂紋擴(kuò)展，最終脫落成537s時刻所示的裂紋形態(tài)。當(dāng)向火面玻璃處于537s時刻的形態(tài)時，由于向火面玻璃的大面積脫落，背火面玻璃能夠接受到來自火源的直接熱輻射，在550s時刻破裂并脫落，如圖7（b）所示。隨著火源對背火面玻璃的持續(xù)作用，背火面玻璃脫落成了564s時刻的最終形態(tài)，并一直保持到燃料燃盡。

2．5 脫落行為

數(shù)碼攝像機記錄了玻璃從開裂發(fā)生到脫落的整個過程，E08組實驗的脫落比例隨時間的變化情況如圖8所示。向火面玻璃在339s首次脫落了5．8%，401s時脫落比例為8．8%，459s時脫落比例為13．3%，到537s脫落比例達(dá)到最大值49．1%。結(jié)合圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，向火面玻璃首次起裂后初期

表4　三種遮蔽方式下背火面玻璃破裂時的部分參數(shù)Table 4 The experimental fracture values for the back glass broke under the three kinds of shaded modes

的裂紋貫穿了整片向火面玻璃，形成了大小不一、形狀各異的玻璃碎片，其中的較大塊玻璃碎片I－1由于框架的保護(hù)作用仍保持在原來的位置上，而較小塊玻璃碎片I－2由于沒有直接受到框架的保護(hù)而脫落。隨著玻璃碎片I－2，I－3的脫落，以及玻璃碎片I－1上裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，形成了更多的不直接受到框架約束的“孤島”，導(dǎo)致更多玻璃碎片逐漸脫落。此外，新裂紋發(fā)生時伴隨應(yīng)力的釋放造成的震動，也使玻璃碎片I－1開裂后形成的II－1、II－2在失去周圍小塊玻璃碎片的約束后從框架上脫落。由此可見，框架的存在可以有效地延長玻璃碎片的脫落時間。背火面玻璃在550s脫落了2．5%，在564s脫落比例達(dá)到了25．8%。結(jié)合圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，背火面玻璃首次脫落了小塊玻璃碎片X－1，與之相鄰的大塊玻璃碎片X－2因為玻璃碎片X－1的脫落失去了一部分約束力，變得更易脫落。此外，X－2重心較高，X－1脫落時對其施加的作用力使X－2重心逐漸向玻璃原本所處豎直平面外偏移，雖受到框架的約束，但仍難以抵抗X－2自身重量產(chǎn)生的彎矩，最終從框架上脫落下來。而處于較下方的兩塊小的玻璃碎片X－3、X－4雖已形成“孤島”，但重心較低，且受到框架約束，最終并未從框架上脫落。由此可見，即使存在框架的約束作用，玻璃開裂的形態(tài)導(dǎo)致玻璃碎片重心位置的不同，依然能夠決定玻璃碎片的脫落與否。故玻璃碎片的脫落行為具有一定的隨機性。

圖7　上下水平遮蔽工況下兩片玻璃隨時間的脫落形態(tài)（實驗編號E08）（其中虛線包圍區(qū)域為玻璃脫落區(qū)域，各圖中的I－1、X－3等編號表示當(dāng)前位置的玻璃碎片）Fig．7 The fall－out morphology of the exposed glass and back glass under horizontal shaded condition vs time（Test E08）（the area surrounded by dotted line in the picture ndicates the fragment of glass has fallen out，I－1、X－3etc．represents the glass fragment in the current position）

2．6 向火面玻璃破裂及脫落對背火面玻璃的影響

E08實驗中，在339s和401s，向火面玻璃有較大面積脫落，但是脫落位置沒有對背火面玻璃正反面中心點上的TC3－1和TC4－1有較顯著的直接影響，溫度曲線隨時間沒有明顯變化，如圖8所示。在459s時刻，玻璃脫落區(qū)域靠近玻璃中心，所以溫度曲線在459s時刻有個稍微比較明顯的上升趨勢。而在526s～537s時間段內(nèi)，向火面玻璃的半邊幾乎全部脫落，直接裸露出背火面玻璃的中心區(qū)域，使得TC3－1直接受到火源的輻射作用，溫度有了急劇的上升，最終導(dǎo)致背火面玻璃在550s破裂。

圖8　向火面和背火面玻璃脫落比例隨時間變化曲線（實驗編號E08）Fig．8 Fall－out proportion of the exposed glass and back glass vs time（Test E08）

圖9　上下水平遮蔽工況背火面玻璃上熱電偶TC3－1 和TC4－1隨時間的變化曲線（實驗編號E08）（圖中各虛線上的數(shù)字表示的是相對應(yīng)于圖7（a）中破裂或脫落的起始時刻Fig．9 Temperature measured by TC3－1and TC4－1 on the back glass vs time under horizontal shaded condition（Test E08）（the dotted line corresponds to the breakage or fall－out time in Fig．7（a））

3　結(jié)論

本研究共設(shè)計了11組實驗來探究中空玻璃在不同安裝方式下的火災(zāi)熱響應(yīng)，包括4組四邊遮蔽，4組上下水平遮蔽和3組左右垂直遮蔽。本實驗研究得出以下結(jié)論：

（1）這三種遮蔽方式中，四邊遮蔽情況下中空玻璃向火面玻璃與背火面玻璃均未有脫落、發(fā)生，而且向火面玻璃首次破裂用時少于另外兩種安裝方式。

（2）雖然遮蔽方式發(fā)生變化，但是裂紋的起裂位置都位于玻璃的被遮蔽區(qū)域。玻璃首次起裂點均位于被遮蔽邊上，且在［－0．25L，0．25L］的范圍內(nèi)。

（3）左右垂直遮蔽方式的玻璃比上下水平遮蔽更容易脫落。

（4）向火面玻璃的破裂和脫落直接影響到背火面玻璃所受的熱載荷強度，因而對背火面玻璃的破裂具有較為顯著的影響。

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Keyword：Hollow glass；Thermal load；Thermal response；Fracture；Shadowing mode

The fracture behavior of hollow glass under heating condition

SU Yanfei，WANG Qingsong，ZHAO Han，SHAO Guangzheng，WANG Yu，SUN Jinhua
（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

Abstract：The thermal response and fracture behavior of hollow glass，which consists of two pieces of 6mm thickness glass plate and 6mm air spacing，were studied in this work．The surface temperatures of the exposed and back side of the hollow glass，heat flux at the center of the exposed side，the breaking time of two panes，the glass crack morphology and the fall－out proportion were measured and analyzed．The edge length of glass was defined as the scope of［－0．5L，0．5L］，then the first crack position of the two pieces of glass initiated in the range of［－0．25L，0．25L］at the edge of the glass．Moreover，the glass pane exposed to fire with four edges covered is the easiest mode to crack，and the fall－out proportion with vertical shaded is greater than that of horizontal shaded one under these experimental conditions．

通訊作者：王青松，E－mail：pinew＠ustc．edu．cn

作者簡介：蘇燕飛（1990－），男，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程碩士研究生，主要研究方向為中空玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的熱響應(yīng)。

基金項目：國家自然科學(xué)基金（資助號：51120165001）和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（資助號：2012CB719702）。

收稿日期：2014－10－16；修改日期：2014－11－21

DOI：10．3969／j．issn．1004－5309．2015．01．01

文章編號：1004－5309（2015）(－)0001－08

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：X915．5