受限空间火灾环境下玻璃破裂行为研究

论文摘要

玻璃因其透光、轻便等独特优点广泛应用于各种现代建筑中，然而在建筑防火设计中往往成为薄弱环节。玻璃构件在火灾环境下容易破裂并脱落形成通风口，从而加剧火灾的燃烧过程并向建筑中的其它区域蔓延。 本文针对前人建立的玻璃破裂温差判据仅适用于大的边缘遮蔽宽度和足够快的加热速度，不能满足玻璃构件防火设计的需求，以及某些特殊建筑玻璃构件防火设计出现的困难，开展受限空间火灾环境下玻璃破裂行为研究，发展适用范围广泛的玻璃破裂判据，研究玻璃构件防火设计的性能化方法。 基于ISO9705全尺寸实验台，对受限空间火灾环境下玻璃破裂行为进行实验研究。对于厚度为4mm和6mm的浮法玻璃以及厚度为6mm和10mm的钢化玻璃，在不同火源功率条件下，测量了燃烧室内气体温度、玻璃近壁面气体温度、玻璃暴露表面温度、玻璃遮蔽表面温度、玻璃表面热通量以及玻璃的破裂时间和破裂模式等参数，分析了玻璃破裂与其表面温度分布等参数的关系，建立了浮法玻璃首次破裂时间分别与烟气温度、热释放速率和热通量这三个关键参数之间的关系。通过实验数据分析表明，浮法玻璃尺寸越大，厚度越小，形成开口的几率越大，钢化玻璃的耐火性能个体差别较大，并且厚度越大，耐火性能越好。 针对玻璃的种类及其安装方式，建立了能够指导防火设计的玻璃破裂的热通量判据。该判据适用范围较广，并且在推导过程中进行了保守的假设，用于分析玻璃火灾环境下破裂行为时具有一定的安全余量。 模拟计算与实验结果的对比分析表明，FDS模拟获得的玻璃暴露表面温度比实际值略高，BREAK1模拟的玻璃首次破裂时间要比实验结果早，且这两种工具获得的结果比较保守，可以为分析火灾环境下玻璃的破裂行为提供参考。 通过将研究结果应用于玻璃构件的防火设计，确定了玻璃构件防火性能的判据和玻璃防火性能的计算工具和方法，提出了针对建筑玻璃构件防火设计的性能化方法。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 建筑火灾中玻璃破裂行为的危害
• 1.1.2 建筑玻璃分类
• 1.1.3 建筑玻璃的组成及其一般性质
• 1.2 前人工作
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 实验研究
• 1.3 研究目标和思路
• 1.4 本文章节安排
• 参考文献
• 第二章 火灾环境下玻璃破裂的基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 玻璃破裂的机理
• 2.2.1 玻璃破裂的原因
• 2.2.2 玻璃破裂的特征
• 2.3 玻璃的传热模型
• 2.3.1 集总质量模型
• 2.3.2 分布质量模型Ⅰ
• 2.3.3 分布质量模型Ⅱ
• 2.3.4 分布质量模型Ⅲ
• 2.3.5 双层玻璃传热模型
• 2.4 玻璃破裂的温差判据
• 2.5 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第三章 实验装置与实验基础理论
• 3.1 引言
• 3.2 全尺寸热释放速率实验装置
• 3.2.1 标准燃烧室
• 3.2.2 大型量热计
• 3.2.3 数据采集与处理系统
• 3.3 玻璃破裂行为实验平台搭建
• 3.3.1 玻璃布置与安装
• 3.3.2 实验测量参数与测点布置
• 3.3.3 数据采集系统
• 3.4 实验相关基础理论
• 3.4.1 燃烧室的传热计算
• 3.4.2 燃烧室的扩展计算
• 3.4.3 热释放速率计算
• 3.5 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第四章 浮法玻璃破裂行为全尺寸实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验概述
• 4.2.1 实验工况设置
• 4.2.2 火源标定
• 4.3 实验结果
• 4.3.1 玻璃破裂模式
• 4.3.2 燃烧室内气体温度
• 4.3.3 玻璃近壁面气体温度
• 4.3.4 玻璃暴露表面温度
• 4.3.5 玻璃遮蔽表面温度
• 4.3.6 玻璃表面热通量
• 4.4 分析与讨论
• 4.4.1 玻璃向火面温度分布特点
• 4.4.2 温度与温差分析
• 4.4.3 玻璃首次破裂时间
• 4.5 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第五章 钢化玻璃破裂行为全尺寸实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验概述
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 玻璃破裂模式
• 5.3.2 燃烧室内气体温度
• 5.3.3 玻璃近壁面气体温度
• 5.3.4 玻璃暴露表面温度
• 5.3.5 玻璃遮蔽表面温度
• 5.3.6 玻璃表面热通量
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 向火面玻璃表面温度分布特点
• 5.4.2 温度与温差分析
• 5.5 玻璃破裂的热通量判据
• 5.5.1 已有判据的局限性分析
• 5.5.2 热通量判据的推导
• 5.6 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第六章 玻璃破裂行为的数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 玻璃表面温度FDS模拟
• 6.2.1 FDS简介
• 6.2.2 FDS模拟参数选择
• 6.2.3 FDS模拟结果与实验比较
• 6.3 玻璃首次破裂时间BREAK1模拟
• 6.3.1 BREAK1简介
• 6.3.2 BREAK1模拟参数选择
• 6.3.3 BREAK1模拟结果与实验比较
• 6.4 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第七章 建筑玻璃防火设计的性能化方法
• 7.1 引言
• 7.2 玻璃防火设计的相关规范要求分析
• 7.2.1 指令性规范的相关规定
• 7.2.2 指令性规范的优点和不足
• 7.3 玻璃防火设计的性能化方法
• 7.3.1 玻璃构件防火性能判据
• 7.3.2 计算工具和方法
• 7.4 某工程案例
• 7.5 本章小结
• 本章符号
• 参考文献
• 第八章 结论及展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 主要创新点
• 8.3 未来工作展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文