單片防火玻璃耐火機(jī)理分析之：玻璃熱炸裂

1、引言

玻璃是人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)的一種材料，因其透明、美觀、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，近年來(lái)我國(guó)玻璃相關(guān)行業(yè)持續(xù)繁榮發(fā)展，玻璃產(chǎn)量、加工量和使用量也逐年增長(zhǎng)。玻璃在門(mén)窗、幕墻等領(lǐng)域的應(yīng)用使其成為建筑最主要的外墻材料之一，作為建筑物中構(gòu)件的一部分，其力學(xué)、熱學(xué)以及服役環(huán)境下的安全特性尤其受到關(guān)注，防火玻璃的概念和應(yīng)用由此而生。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，玻璃雖不是可燃物，但是相比于混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能較為脆弱，在熱載荷作用下非常容易發(fā)生破裂和脫落，因此有關(guān)防火玻璃的材料、性能和結(jié)構(gòu)研究非常重要，也從未間斷。防火玻璃的基礎(chǔ)材料特性和耐火機(jī)理分析更是有助于指導(dǎo)防火玻璃的生產(chǎn)和使用，對(duì)提高建筑物防火安全設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性具有特別的參考意義。

2、單片防火的概念和種類(lèi)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB15763.1《 建筑用安全玻璃一防火玻璃 》將防火玻璃按照結(jié)構(gòu)分為單片防火玻璃（ DFB ) 和復(fù)合防火玻璃（ FFB ) ，按照耐火性能分為隔熱型防火玻璃（A類(lèi)）和非隔熱型防火玻璃（C類(lèi)）。單片防火玻璃木質(zhì)是用特殊材質(zhì)或工藝進(jìn)行強(qiáng)化的玻璃，其優(yōu)點(diǎn)是透光性好、耐候性好、易于加工安裝，在耐火性能上屬于C類(lèi)非隔熱型防火玻璃，滿(mǎn)足耐火完整性的要求。隨著建筑安全及火災(zāi)防范意識(shí)的提高，我國(guó)建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范和消防驗(yàn)收檢查制度也逐步完善，防火玻璃的產(chǎn)品體系和設(shè)計(jì)使用目前正在與發(fā)達(dá)國(guó)家同步接軌。近幾年，國(guó)內(nèi)防火玻璃標(biāo)準(zhǔn)不斷修改完善，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的防火玻璃呼聲越來(lái)越高，以硼硅酸鹽單片玻璃和硅酸鉀基復(fù)合防火玻璃為代表的技術(shù)和產(chǎn)品，有效降低了傳統(tǒng)低端防火玻璃的不確定性，提升安全系數(shù)和耐火穩(wěn)定性。

國(guó)標(biāo)中約定的防火玻璃原片可以是鍍膜或非鍍膜的浮法玻璃、鋼化玻璃，復(fù)合防火玻璃原片，還可選用單片防火玻璃?？梢?jiàn)這個(gè)定義和范圍是非常寬泛和籠統(tǒng)的，即原片玻璃和加工玻璃都可以作為防火玻璃的材料，理論上，任何達(dá)到耐火要求的玻璃材料或透明產(chǎn)品均可作為防火玻璃。實(shí)際上，直接從窯爐經(jīng)成型退火得到的玻璃原片或玻璃材料是很少直接應(yīng)用在生產(chǎn)生活中，所以單片防火玻璃作為加工玻璃產(chǎn)品，尤其是建筑用安全玻璃的一種，除了滿(mǎn)足耐火性能要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足建筑玻璃相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如外觀質(zhì)量、鋼化安全性、沖山安全性等。

本文為了更清晰的梳理和介紹目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的單片防火玻璃產(chǎn)品，仍堅(jiān)持以玻璃材料的成分體系進(jìn)行劃分，再結(jié)合加工工藝進(jìn)行細(xì)分，這也是不同防火玻璃產(chǎn)品差異化的根本所在。

(1）鈉鈣硅系統(tǒng)玻璃

市場(chǎng)上俗稱(chēng)的“高強(qiáng)度防火玻璃”、“高應(yīng)力防火玻璃玻璃”、“銫鉀防火玻璃”、“化學(xué)鋼化玻璃”等等，均為鈉鈣硅原片玻璃（最常見(jiàn)的浮法玻璃）通過(guò)物理增強(qiáng)或化學(xué)增強(qiáng)引入表面壓應(yīng)力的強(qiáng)化玻璃（ Tempcred glass / Reinforced glass ）。此類(lèi)玻璃是通過(guò)在玻璃表面施加預(yù)應(yīng)力層，進(jìn)而提高其抵抗火災(zāi)環(huán)境下的熱變形和熱炸裂能力，但受到加工程度、加工水平和尺寸厚度的影響，該類(lèi)玻璃性能差異較大，具有很大性能離散度和耐火隨機(jī)性。由于國(guó)標(biāo)并未對(duì)此類(lèi)玻璃作為防火玻璃使用時(shí)的邊界條件進(jìn)行明確的定義和性能約定，更多是市場(chǎng)和企業(yè)行為進(jìn)行產(chǎn)品指標(biāo)和質(zhì)量的把控，因此也成為目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多、最為混亂的單片防火玻璃種類(lèi)，給建筑設(shè)計(jì)和用戶(hù)安全帶來(lái)很多困擾。

(2）硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃

硼硅酸鹽玻璃是以堿硼硅系統(tǒng)經(jīng)浮法或壓延工藝生產(chǎn)出的原片玻璃，和普通的鈉鈣硅系統(tǒng)玻璃相比，其膨脹系數(shù)低（≈4x10-6/K(20~300℃））、軟化點(diǎn)高（≈800℃）、耐冷熱沖擊性能好，可應(yīng)用于器皿玻璃、儀器玻璃和防火玻璃。目前市場(chǎng)上的硼硅單片防火玻璃是采用硼硅酸鹽原片玻璃經(jīng)鋼化加工而成，被公認(rèn)為是一種理想的高穩(wěn)定性的單片防火玻璃，在歐洲己經(jīng)得到了多年的推廣應(yīng)用。隨著防火玻璃需求旺盛，國(guó)內(nèi)硼硅玻璃生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品突飛猛進(jìn)，逐漸打破國(guó)外技術(shù)壁壘，目前有四家企業(yè)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，部分產(chǎn)品的質(zhì)量和規(guī)格也達(dá)到世界領(lǐng)先水平。該類(lèi)型單片防火玻璃應(yīng)用于高層建筑、公共場(chǎng)所等的防火隔斷，具有透光率高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，且隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)能的不斷擴(kuò)充，當(dāng)未來(lái)價(jià)格逐步達(dá)到市場(chǎng)普遍接受的程度時(shí)，有望成為國(guó)內(nèi)單片防火玻璃的主流產(chǎn)品。

(3）其他特種玻璃體系

耐熱微晶玻璃，主要是指鋰鋁硅系統(tǒng)透明微晶玻璃，通過(guò)控制玻璃成分和晶體析出，可以得到低膨脹或者零膨脹的玻璃材料，使其具有很高的耐熱震性，目前主要用于特種光電材料和基板材料，民用領(lǐng)域用于制作明火上加熱的炊具和餐具，例如生活中可見(jiàn)的電磁爐、電陶爐面板、建筑真火壁爐玻璃、耐火觀察窗等。目前該類(lèi)型玻璃主要采用壓延、磨拋工藝生產(chǎn)，成本高，用作建筑單片防火玻璃較少。

石英玻璃是二氧化硅單一成分的玻璃，具有相當(dāng)高的均勻性和透明度，機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好，膨脹系數(shù)很小，化學(xué)穩(wěn)定性高，因價(jià)格昂貴和加工困難，只在一些特殊的耐火窗口中得到應(yīng)用。

其他特種耐火安全玻璃，根據(jù)特殊需要采用其他體系的玻璃材料，通過(guò)安全化處理和應(yīng)用場(chǎng)景匹配性設(shè)計(jì)，多為定制化應(yīng)用。

3、單片防火玻璃的耐火機(jī)理

3.1 玻璃的斷裂力學(xué)特性

玻璃的本征力學(xué)性能直接決定著其在火災(zāi)受熱時(shí)的承受能力。理論上，玻璃的抗壓和抗彎強(qiáng)度均是較高的，但是由于實(shí)際生產(chǎn)和加工過(guò)程中玻璃表面及邊緣大量的細(xì)微裂紋，其實(shí)際測(cè)量值要低得多，在實(shí)際工程應(yīng)用中，出于安全方面的考慮，一般會(huì)采用30~50MPa作為普通玻璃和鋼化玻璃的設(shè)計(jì)抗張強(qiáng)度。這種力學(xué)現(xiàn)象在眾多研究中都可以由Griffith建立的傳統(tǒng)的脆性材料裂紋擴(kuò)展理論來(lái)解釋?zhuān)床Ａ?qiáng)度受到尺寸效應(yīng)尤其是裂紋尺寸效應(yīng)的影響，且裂紋在持續(xù)外力作用下表現(xiàn)為快速擴(kuò)展。在實(shí)際測(cè)試中，玻璃的抗彎強(qiáng)度很大程度上受到表面狀態(tài)、邊部加工質(zhì)量、鋼化應(yīng)力三者綜合因素的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用HF酸表面邊緣腐蝕拋光、機(jī)械拋光、砂輪磨邊等不同加工后，抗彎強(qiáng)度從98MPa、78MPa降低到56MPa。另外有研究指出，當(dāng)裂紋尺寸大于500μm時(shí)，玻璃斷裂應(yīng)力滿(mǎn)足經(jīng)典斷裂力學(xué)，裂紋尺寸小于 200μm時(shí)，玻璃斷裂特性介于經(jīng)典力學(xué)向強(qiáng)度平穩(wěn)狀態(tài)的收斂階段，但玻璃斷裂強(qiáng)度與裂紋的數(shù)量和尺寸有密切關(guān)系，隨著裂紋個(gè)數(shù)增加和裂紋尺寸加大，強(qiáng)度逐漸減小，衰減可達(dá)15％以上。進(jìn)一步，建筑玻璃在使用過(guò)程中的持久應(yīng)力作用、環(huán)境中水分及活性介質(zhì)與玻璃表面反應(yīng)也會(huì)引起疲勞破壞，玻璃表面磨傷和風(fēng)沙對(duì)玻璃表面的磨損均會(huì)造成玻璃強(qiáng)度下降。

在玻璃表面預(yù)加壓應(yīng)力是有效提高抗彎強(qiáng)度的方法，因此目前常用的鈉鈣硅單片防火玻璃均采用了高表面應(yīng)力的設(shè)計(jì)，表面壓應(yīng)力甚至遠(yuǎn)大于目前鋼化玻璃標(biāo)準(zhǔn)約定的表面應(yīng)力大于90MPa 。研究結(jié)果也顯示，鋼化應(yīng)力與抗彎強(qiáng)度測(cè)試值有密切關(guān)系，在相同玻璃材質(zhì)和加工條件下，玻璃抗彎強(qiáng)度與鋼化應(yīng)力符合一次線(xiàn)性方程關(guān)系，即隨著鋼化應(yīng)力提高，抗彎強(qiáng)度增大，對(duì)于厚度6~15mm 范圍內(nèi)玻璃大量離散型數(shù)據(jù)分析，可得到了極限抗彎強(qiáng)度的包絡(luò)線(xiàn)公式：

σ - 0.826σ鋼化 + 37.826

但是玻璃的斷裂強(qiáng)度離散性大，抗彎強(qiáng)度的測(cè)定與測(cè)試條件如加載方式、加載速率、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。很多國(guó)家往往采用統(tǒng)計(jì)分析方法推斷出玻璃的實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)度，通常大量玻璃破壞的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，給出設(shè)計(jì)安全系數(shù)與玻璃失效關(guān)系規(guī)律。玻璃作為建筑安全玻璃尤其作為防火玻璃應(yīng)用時(shí)，必須考慮綜合載荷影響因素下玻璃強(qiáng)度的安全系數(shù)，除應(yīng)考慮玻璃強(qiáng)度木身離散安全系數(shù)K1外，還應(yīng)考慮在火災(zāi)受熱情況下各種環(huán)境載荷作用下的安全系數(shù)K2， 在玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中約定了玻璃幕墻失效概率為0.1％ ，其強(qiáng)度離散安全系數(shù)K1未2.5。防火玻璃在火災(zāi)環(huán)境受熱失效考核時(shí)著火后氣壓變化、燃燒熱點(diǎn)隨機(jī)性等因素，如果簡(jiǎn)單按照風(fēng)壓載荷安全系數(shù)考慮，防火玻璃的臨界強(qiáng)度設(shè)計(jì)可參照下表設(shè)計(jì)。

表1 綜合載荷作用下玻璃臨界強(qiáng)度的安全系數(shù)設(shè)計(jì)

綜上可知，玻璃的斷裂力學(xué)特性己經(jīng)有較為成熟的研究和共同的認(rèn)知結(jié)論，玻璃材料的組成結(jié)構(gòu)加工決定了其固有的力學(xué)特性和力學(xué)參數(shù)。因此，不同類(lèi)型、不同厚度的單片防火玻璃所承受的耐火臨界破裂應(yīng)力是確定的，在鈉鈣硅玻璃基礎(chǔ)上，通過(guò)借用物理、化學(xué)強(qiáng)化手段提高玻璃的表面壓應(yīng)力，通過(guò)精細(xì)加工改善玻璃表面和邊緣微觀裂紋，提高其在一定尺度范圍和耐火條件下的臨界破壞強(qiáng)度，是可行的。

3.2 玻璃受熱破裂的機(jī)理分析

1985 年，世界火災(zāi)學(xué)之父，哈佛大學(xué)的Emmons教授在第一屆國(guó)際火災(zāi)大會(huì)上首先提出了“玻璃破裂是火災(zāi)研究中重要的結(jié)構(gòu)問(wèn)題”。許多研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值模破裂機(jī)理和預(yù)測(cè)模型法來(lái)探究玻璃在火災(zāi)中的破裂機(jī)理和預(yù)測(cè)模型，并且發(fā)現(xiàn)由溫差形成的內(nèi)部熱應(yīng)力是玻璃受熱破裂的主要原因。玻璃在制作和加工過(guò)程中，內(nèi)部熱應(yīng)力及表面張力變化產(chǎn)生的微小裂紋（瑕疵）隨機(jī)分布在玻璃內(nèi)部，導(dǎo)致裂紋起裂具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，而且一旦起裂，裂紋的擴(kuò)展速度往往大于2000m/s ，其形成“孤島”并且脫落速度很快，最終玻璃完全破裂失效?；馂?zāi)中玻璃的破裂主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)是火源和熱煙氣向玻璃的傳熱過(guò)程，另一個(gè)是玻璃溫度不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致其破裂和脫落的過(guò)程。當(dāng)然火災(zāi)中的玻璃還可能存在第三階段，即玻璃在軟化溫度之前有效抵抗了熱變形而未破裂，而是隨著火災(zāi)持續(xù)升溫直至高溫下軟化流變失效的過(guò)程（涉及玻璃高溫耐火極限的問(wèn)題，本文暫不討論）。

第一個(gè)階段的玻璃傳熱是非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及到一維、二維和厚度方向上三維的溫度分布，主要是輻射造成的分布和對(duì)流傳到的雙重影響，還有玻璃材質(zhì)、玻璃結(jié)構(gòu)的影響。張毅等人論文指出，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，玻璃暴露表面受到火源和煙氣的熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用，到達(dá)較高溫度。而玻璃被邊框遮蔽的表面不能直接受到火源和煙氣的熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流作用，導(dǎo)致遮蔽表面溫度較暴露表面溫度低。由于玻璃是熱的不良導(dǎo)體，暴露表面的溫度并不會(huì)很快傳遞到遮蔽表面和玻璃背火面。隨著火源熱釋放速率的不斷提高，玻璃暴露表面與遮蔽表面、玻璃向火面與背火面之間的溫度差不斷增大，當(dāng)溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到玻璃表面所能承受的臨界應(yīng)力時(shí)，玻璃表面就會(huì)產(chǎn)生裂紋。一般來(lái)說(shuō)火災(zāi)場(chǎng)景下玻璃的首次破裂發(fā)生在玻璃的邊緣部分，不少研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出玻璃破裂的基本溫差，Keski-Rahkonen研究認(rèn)為普通鈉鈣硅玻璃破裂臨界溫差為80℃，Skelly研究普通玻璃在火災(zāi)中的破裂行為，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的溫差為90℃，Xie做了鋼化玻璃的破裂溫差的研究，發(fā)現(xiàn)6mm厚鋼化玻璃破裂溫差為330~380℃，10mm厚鋼化玻璃的破裂溫差為470~590℃等。

目前所有研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都統(tǒng)一地認(rèn)為玻璃表面溫差是玻璃破裂的內(nèi)在機(jī)理，即當(dāng)溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力應(yīng)力大于玻璃的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，玻璃就會(huì)發(fā)生破裂。因此實(shí)際應(yīng)用中分析研究玻璃的熱炸裂問(wèn)題，主要是分析玻璃溫度分布的規(guī)律和影響因素，對(duì)于防火玻璃的應(yīng)用場(chǎng)景而言，需要考慮火源特征、熱傳導(dǎo)模式、四周遮蔽框式安裝、環(huán)境風(fēng)壓等綜合因素的影響。首先火災(zāi)環(huán)境下熱輻射往往占到很大比例，火焰和高溫?zé)煔獾妮椛湓诖┩覆Ａr(shí)被部分吸收，研究數(shù)據(jù)表明對(duì)于6mm的玻璃，63％的輻射被1mm的厚度所吸收，因此厚度方向上存在輻射溫度梯度。此外，不論是厚度方向還是平面方向上，玻璃的溫度梯度會(huì)受到熱輻射和對(duì)流、傳導(dǎo)三種因素的影響，尤其是雙層或多層玻璃時(shí)，產(chǎn)生溫度差異的關(guān)聯(lián)因素將更加復(fù)雜。此外，在建筑外墻防火玻璃遭遇火災(zāi)時(shí)，由于玻璃遮蔽位置和遮蔽面積的不同造成熱載荷分布差異顯得更為重要，玻璃的遮蔽區(qū)域由于沒(méi)有受到火源的輻射載荷作用，其溫度升高主要來(lái)源于非遮蔽區(qū)域的熱傳導(dǎo)，因此遮蔽區(qū)域的溫度相比較非遮蔽區(qū)域溫度明顯較低，形成的溫度差熱應(yīng)力的主要來(lái)源，對(duì)于有框遮蔽的玻璃結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力總是產(chǎn)生在玻璃板卜遮蔽與非遮蔽區(qū)域的交界處，可認(rèn)為是裂紋起裂最為危險(xiǎn)的區(qū)叢同樣有研究表明，火源位置對(duì)玻璃的受熱破裂行為影響顯著，裂紋更容易從高溫區(qū)（火源位置）起裂，隨著火源和玻璃趾離的增加，玻璃的臨界破裂時(shí)間也相應(yīng)增加。研究者通過(guò)調(diào)整火源位置改變玻璃表面溫差，進(jìn)行玻璃的臨界破裂條件和破裂危險(xiǎn)期分析，通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明在火場(chǎng)中玻璃的破裂和脫落往往發(fā)生在火勢(shì)的穩(wěn)定發(fā)展期，該階段火焰和煙氣容易發(fā)生蔓延，從而在火災(zāi)演化中造成非常嚴(yán)重的后果，因此可以說(shuō)玻璃的破裂或火災(zāi)蔓延是相互動(dòng)態(tài)影響的。

3.3 玻璃熱炸裂的其他影響因素

如上所述，玻璃本身的力學(xué)性能和火災(zāi)中的熱應(yīng)力產(chǎn)生共同決定了玻璃的破裂，但實(shí)際的玻璃應(yīng)用場(chǎng)景是非常復(fù)雜的，不同的厚度、尺寸、長(zhǎng)寬比、加工質(zhì)量、安裝條件都會(huì)帶來(lái)很大的隨機(jī)性隱患。例如，玻璃厚度是玻璃的一個(gè)基本參數(shù)，建筑中為了滿(mǎn)足不同的需求，往往會(huì)采用不同厚度的玻璃。謝啟源等人發(fā)現(xiàn)6mm鋼化玻璃所能承受的最大溫度差為330~380℃，10mm厚度的玻璃所能承受的溫度差為470~590 ℃ 。上述提及的邊框安裝、遮蔽條件對(duì)于玻璃破裂的影響十分顯著，隨著遮蔽寬度的增加，首次破裂時(shí)間呈先減小后增大的趨勢(shì)，研究表明鋁框玻璃窗要比木頭框玻璃窗能承受更長(zhǎng)時(shí)間的熱載荷。外界條件對(duì)其防火玻璃的破裂同樣有重要影響，其中火災(zāi)場(chǎng)景下的水幕（水噴淋）是影響玻璃破裂最主要的外界因素之一，在火災(zāi)初期玻璃溫度較低時(shí)，水幕具有很好的保護(hù)作用，但是當(dāng)玻璃溫度超過(guò)臨界值再施加水幕，會(huì)對(duì)玻璃的破裂和脫落具有一定的促進(jìn)作用，驗(yàn)結(jié)果表明250℃為臨界溫度，即當(dāng)玻璃表面溫度在此之上施加水噴淋，反而會(huì)加速玻漓的破裂和脫落。不可避免地，在實(shí)際火災(zāi)環(huán)境下，火源爆燃所產(chǎn)生的熱振效應(yīng)、煙氣沖擊、建筑物變形等都可能對(duì)防火玻璃的有效性、安全性帶來(lái)致命影響。

綜上，如此之多的玻璃破裂影響因素，針對(duì)單片防火玻璃的使用，就要求設(shè)計(jì)單位到產(chǎn)品生產(chǎn)、工程應(yīng)用企業(yè)，必須充分考慮應(yīng)用場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)和玻璃性能安全系數(shù)，提出可靠的安全設(shè)計(jì)使用范圍。

4 、單片防火玻璃受熱狀態(tài)下的數(shù)值模擬

4.1 玻璃破裂的隨機(jī)性和確定性

如上所述，玻璃在機(jī)械載荷和熱沖擊作用下非常容易發(fā)生斷裂破壞，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的主要原因就是生產(chǎn)及加工過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)分布的微裂紋，在火災(zāi)場(chǎng)景中，玻璃破裂所達(dá)到的斷裂應(yīng)力實(shí)際上就是其極限拉應(yīng)力，而正是由于微裂紋的隨機(jī)分布，導(dǎo)致即便是同一批次生產(chǎn)的玻璃都會(huì)有不同的斷裂應(yīng)力，即產(chǎn)生了玻璃破裂的隨機(jī)性和不確定性。關(guān)于這種隨機(jī)性和不確定性，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)性研究，常見(jiàn)的是采用weibull函數(shù)進(jìn)行可靠性分析。例如，對(duì)大量的玻璃斷裂力學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行weibull函數(shù)分析后得到普通玻璃的斷裂應(yīng)力為40MPa；日本建筑研究院分析玻璃破裂和脫落概率與高斯函數(shù)的關(guān)系，利用指數(shù)分布函數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)分析，得到 4mm和6mm厚度的玻璃脫落臨界熱流分別為20KW/㎡和 28KW/㎡；中國(guó)火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室利用自行設(shè)計(jì)的均勻輻射封閉箱體實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)浮法玻璃和Low-E玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同工況下玻璃破裂時(shí)刻的中心溫度、溫度差及熱應(yīng)力也呈weibull函數(shù)隨機(jī)分布，并得到玻璃破裂關(guān)鍵參數(shù)的生存概率函數(shù)、故障概率函數(shù)及概率密度函數(shù)。

與隨機(jī)性對(duì)應(yīng)的是確定性結(jié)論，即玻璃的破裂是可以計(jì)算和確定的，同時(shí)也是可以避免的，玻璃破裂的確定性分析主要體現(xiàn)在應(yīng)力分布計(jì)算和破裂時(shí)間預(yù)測(cè)兩個(gè)方面。根據(jù)玻璃破裂邊緣熱應(yīng)變和胡克定律可以推斷0.07％的熱膨脹就能夠使玻璃在火災(zāi)下發(fā)生破裂，在熱應(yīng)變的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析玻璃內(nèi)部的傳熱和應(yīng)力分布，可得出玻璃破裂的溫度場(chǎng)模型，目前多種理論模型都可以預(yù)測(cè)玻璃破裂所需的臨界條件，例如邊框遮蔽區(qū)和火焰暴露區(qū)的溫度差為80℃ 。在玻璃破裂時(shí)間預(yù)測(cè)方面，研究從一維、二維傳熱分析，逐漸過(guò)渡到三維模型的建立，更為準(zhǔn)確的分析最大主應(yīng)力并以此為判據(jù)判斷玻璃的破裂，這種研究與真實(shí)的玻璃時(shí)間和火災(zāi)情況具有較好的一致性。

4.2 玻璃受熱狀態(tài)下的數(shù)值模擬

實(shí)驗(yàn)直接研究玻璃破裂現(xiàn)象是最為直接和有效的方法，但是玻璃在火災(zāi)下的破裂行為具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，加之火災(zāi)場(chǎng)景的復(fù)雜多變，這給火災(zāi)情況下玻璃的破裂行為研究帶來(lái)了很大麻煩。研究人員通過(guò)數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行過(guò)破裂行為的分析研究也是非常有意義的。

目前的計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)場(chǎng)景中玻璃的熱學(xué)力學(xué)行為是一個(gè)相對(duì)比較滯后的領(lǐng)域，比如常見(jiàn)的FDS、CFAST等火災(zāi)科學(xué)模擬軟件，難以滿(mǎn)足真實(shí)場(chǎng)景中玻璃破裂脫落的模擬需求，致使準(zhǔn)確預(yù)測(cè)火災(zāi)場(chǎng)景中火勢(shì)蔓延擴(kuò)散有一定的誤差。首先，單片（防火）玻璃作為典型的脆性斷裂材料為研究對(duì)象時(shí)，應(yīng)在系統(tǒng)分析玻璃強(qiáng)度離散性基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際玻璃破壞的臨界應(yīng)力統(tǒng)計(jì)，這樣才能正確地評(píng)價(jià)玻璃實(shí)際工況下的服役行為。接下來(lái)，玻璃火災(zāi)受熱情況下的數(shù)值模擬將開(kāi)展三方面的內(nèi)容：(1）熱學(xué)模擬是以傳熱方程為核心，將火源特性和玻璃熱物理、傳熱機(jī)理相結(jié)合，盡可能真實(shí)的獲取傳熱模型和玻璃溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。(2）力學(xué)模擬多是基于有限元法，利用 Hooke 定律（玻璃為脆性材料階段）結(jié)合玻璃材料本征物理特征參數(shù)，計(jì)算不同載荷作用下的玻璃三維應(yīng)力分布特征和裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程。（3）應(yīng)用場(chǎng)景模擬就是通過(guò)熱力耦合分析，建立完整產(chǎn)品工況模型，精確求解玻璃的玻璃動(dòng)態(tài)熱力學(xué)參數(shù)以及臨界破裂失效條件。

基于熱力耦合分析算法，目前己有大量的玻璃火災(zāi)破裂預(yù)測(cè)模型和相關(guān)結(jié)論，通過(guò)一些主流成熟商用軟件開(kāi)展玻璃熱學(xué)、力學(xué)模擬得到了很多有意義的數(shù)據(jù)。陳昊東等人采用有限元法，求解玻璃的一維熱傳導(dǎo)方程，選取了三種典型熱荷載作用下的玻璃破裂實(shí)驗(yàn)（熱輻射，城鄉(xiāng)交界域火災(zāi)和室內(nèi)火災(zāi)），并利用溫差準(zhǔn)則對(duì)玻璃首次破裂時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，將模擬結(jié)果與前人的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了模型的適用性和代碼的可靠性。劉永軍等人開(kāi)展了耐火窗用防火玻璃數(shù)值模擬，其使用ANSYS軟件分析預(yù)定火災(zāi)場(chǎng)景下防火玻璃內(nèi)的溫度場(chǎng)，計(jì)算防火玻璃在四種不同的力學(xué)邊界約束下的應(yīng)力分布和單元失效過(guò)程，結(jié)果防火玻璃溫度場(chǎng)出現(xiàn)“邊框現(xiàn)象”，基于模擬結(jié)果提出了四點(diǎn)固定防火玻璃是一種較為合理的安裝方式。王禹實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，玻璃火災(zāi)破裂脫落和安裝約束方式有很大的關(guān)系，通過(guò)應(yīng)力模擬得到四點(diǎn)支撐幕墻玻璃破裂時(shí)內(nèi)部的最大拉應(yīng)力為37.0MPa，接近于實(shí)驗(yàn)所使用玻璃的抗拉強(qiáng)度，玻璃最終的破裂原因是內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)了玻璃的抗拉強(qiáng)度，對(duì)比框式安裝玻璃的應(yīng)力分析，框式安裝玻璃的應(yīng)力最大區(qū)域往往在遮蔽區(qū)域的交界處，點(diǎn)式安裝玻璃的應(yīng)力最大區(qū)域是在固定點(diǎn)周?chē)Ｆ洳捎糜邢拊?jì)算的方法通過(guò)計(jì)算應(yīng)力分布有效預(yù)測(cè)不同玻璃安裝形式的起裂位置和臨界破裂溫差（約 150 ℃ ），且根據(jù)熱流與溫差數(shù)值關(guān)系明確指出了玻璃的破裂往往發(fā)生在火源穩(wěn)定燃燒階段。陸偉等研究風(fēng)載荷作用下火災(zāi)中玻璃首次破裂時(shí)間和應(yīng)力分布模擬預(yù)測(cè)，同樣指出玻璃暴露區(qū)域熱膨脹使得遮蔽區(qū)域受到拉應(yīng)力直至發(fā)生破裂。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玻璃在火災(zāi)中響應(yīng)規(guī)律及破裂機(jī)理進(jìn)行了大量研究，均得出邊緣遮蔽區(qū)域是發(fā)生破裂概率最大的位置，一致認(rèn)為對(duì)于四周遮蔽的玻璃遮蔽區(qū)域和非遮區(qū)域的表面溫度差所導(dǎo)致的熱應(yīng)力即為玻璃破裂的根本原因。

圖 1 不同安裝形式下玻璃火災(zāi)受熱后的應(yīng)力分布

上圖為不同點(diǎn)安裝無(wú)遮蔽玻璃和遮蔽安裝玻璃的受熱應(yīng)力分布圖，二者有較大的差異，以常見(jiàn)的遮蔽安裝右圖為例，可以看出玻璃邊緣遮蔽區(qū)域受到拉應(yīng)力作用，玻璃中心區(qū)域受到壓應(yīng)力作用，且第一主應(yīng)力在破裂時(shí)刻之前最大值分別為 31.21MPa 、 32.04MPa 、 31.98MPa 和 30.94Mpa ，這與陳昊東等人模擬 3mm 玻璃破裂應(yīng)力為 40MPa 以及傳統(tǒng)玻璃的臨界破裂應(yīng)力允許值基本對(duì)應(yīng)，這個(gè)數(shù)據(jù)是基本接近真實(shí)情況的。因此，在充分考慮著火環(huán)境條件和模擬計(jì)算參數(shù)的情況下，研究者很好的實(shí)現(xiàn)了玻璃火災(zāi)環(huán)境下數(shù)值計(jì)算代碼的可靠性和模型的適用性，對(duì)復(fù)雜綜合條件下玻璃的動(dòng)態(tài)反應(yīng)做出了很好的判斷。例如 Harada 、 Pagni 、陳昊東等人通過(guò)不同的數(shù)值模型預(yù)測(cè)求解玻璃首次破裂時(shí)間，經(jīng)過(guò)結(jié)果分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比都呈現(xiàn)出了很好的吻合一致性，且準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了玻璃在火災(zāi)中的破裂規(guī)律。

5 、結(jié)論

綜上所述，目前關(guān)于玻璃的本征力學(xué)性能和火災(zāi)場(chǎng)景下玻璃熱炸裂的理論數(shù)據(jù)是非常豐富的，玻璃在遇火災(zāi)時(shí)的破裂失效機(jī)理也是非常清晰的，已有的溫差判據(jù)、臨界應(yīng)力判據(jù)仍是判定玻璃破裂的有效依據(jù)。由于受到玻璃本身破裂隨機(jī)性的影響，不同的玻璃種類(lèi)、加工方式、應(yīng)用場(chǎng)景的綜合條件下，使得目前單片防火玻璃臨界破裂的可預(yù)測(cè)性難度大大增加，單片防火玻璃火災(zāi)破裂失效的隨機(jī)性風(fēng)險(xiǎn)不可避免。

從科學(xué)研究角度，有必要針對(duì)不同類(lèi)別的新型玻璃材料進(jìn)行火災(zāi)場(chǎng)景下的熱力學(xué)特性和破裂機(jī)理進(jìn)一步研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法，建立集合玻璃微觀尺度缺陷、邊緣條件、宏觀尺寸和應(yīng)用場(chǎng)景參數(shù)的多維度參數(shù)模型或數(shù)據(jù)庫(kù)，充分體現(xiàn)材料特性、加工細(xì)節(jié)和應(yīng)用場(chǎng)景的影響權(quán)重因子，使得單片防火玻璃的生產(chǎn)應(yīng)用更加有據(jù)可依。

從工程應(yīng)用角度，在滿(mǎn)足建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范和消防驗(yàn)收的前提下，單片防火玻璃也不能被一般性的對(duì)待，僅僅依靠單次試驗(yàn)或者有限范圍的測(cè)試報(bào)告是不夠的，應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)和安全等級(jí)需要進(jìn)行著重考慮。當(dāng)出現(xiàn)例如超大尺寸、超長(zhǎng)耐火時(shí)間需求時(shí)，工程各方應(yīng)開(kāi)展多種形式的技術(shù)論證，使用更加穩(wěn)健的技術(shù)產(chǎn)品，使得設(shè)計(jì)具有本質(zhì)上的可靠性和重復(fù)性，徹底解決風(fēng)險(xiǎn)的可能性和火災(zāi)中存在的不確定性。

本文根據(jù)已有數(shù)據(jù)資料概述了單片防火玻璃在火災(zāi)初期（玻璃為脆彈性范圍內(nèi)）的熱炸裂行為和相關(guān)機(jī)理，實(shí)際上單片防火玻璃的耐火極限也取決于長(zhǎng)時(shí)間高溫下其粘彈性和粘流的特性，這方面的研究是非常欠缺的，作者將在后續(xù)研究中進(jìn)行討論分析。

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（作者：中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，國(guó)家玻璃深加工工程技術(shù)中心：李要輝，楊磊，徐磊，徐志偉，張凡，王晉珍，穆元春）