热荷载作用下浮法玻璃和低辐射镀膜玻璃破裂行为研究

论文摘要

在热荷载作用下特别是在火灾场景下,建筑玻璃的破裂脱落往往容易造成更大的危害。玻璃在热荷载作用下的破裂是多种因素共同作用的结果。为了更深入地了解热荷载作用下玻璃破裂的各种影响因素,本文搭建了玻璃破裂行为模拟实验台,能够设置多种实验工况,实现热荷载作用下玻璃破裂多种影响因素的研究。通过玻璃破裂模拟行为实验台,本文首先开展热荷载作用下影响玻璃破裂的因素的显著性实验。从7个常见影响热荷载作用下玻璃破裂的因素中筛选出了三个非常重要的影响因素（玻璃厚度、玻璃边缘平整度、热辐射源升温速率）和两个重要的影响因素（玻璃的平面尺寸、遮蔽表面宽度）,然后对这些显著性的因素分别开展单因素变化时玻璃热破裂实验。为了方便实验比较,本文还选用了两种不同类型的玻璃:浮法玻璃和在线高透Low-E玻璃（不钢化）单片,分别针对显著性因素开展玻璃破裂实验。研究发现:1、玻璃首次破裂主要发生在玻璃表面上部,而且多数发生在表面上部边缘中心点位置处,这是因为封闭实验箱体内部上层空气温度较高所致。2、针对玻璃厚度因素,研究了五种不同厚度对浮法玻璃首次破裂参数的影响。浮法玻璃首次破裂时间、首次破裂时两表面中心点之间温度差、首次破裂时向火面中心点同破裂位置处背火面遮蔽点之间的平均温度差和首次破裂时的热应力都随厚度增大而增大。3、针对玻璃边缘平整度因素,由于只有两种水平:磨边和不磨边,在因素显著性实验中发现:进行磨边处理后的浮法玻璃更能耐受高温。4、针对热辐射源升温速率因素,研究了五种不同热辐射源升温速率对两种玻璃首次破裂参数的影响,发现:两种玻璃的首次破裂时间随热辐射源升温速率增加而降低。浮法玻璃首次破裂时向火面中心点温度、首次破裂时表面中心点之间温度差、首次破裂时向火面中心点同破裂位置处背火面遮蔽点之间的平均温度差都随热辐射源升温速率的增加而不断增加,而Low-E玻璃随着热辐射升温速率的提高首先增加,在15℃/min时最大,然后下降。5、针对遮蔽表面宽度因素,研究了五种不同遮蔽表面宽度对两种玻璃首次破裂参数的影响,发现:遮蔽表面宽度对于玻璃首次破裂时间、首次破裂时玻璃表面中心点的温度及温度差、首次破裂时向火面中心点同破裂位置处背火面遮蔽点之间的平均温度差、首次破裂位置处热应力影响相对于热辐射源升温速率因素较小。而遮蔽表面宽度对向火表面首次破裂位置处遮蔽点的平均温度影响较大,随着遮蔽表面宽度的增加,浮法玻璃向火表面首次破裂位置处遮蔽点的平均温度随之不断减小,而Low-E玻璃温度先减小后增大。对600×600×6mm3体积的两种玻璃的实验结果进行了统计分析,发现实验数据能够较好地吻合二参数和三参数的Weibull分布,表明Weibull分布可以用来描述玻璃首次破裂时的四个关键表征参数:首次破裂时间、首次破裂时向火面中心点温度、首次破裂时向火面中心点同破裂位置处背火面遮蔽点之间的平均温度差和首次破裂位置处热应力。研究中还给出了二参数和三参数Weibull分布函数、生存概率函数、故障概率函数和概率密度函数表达式。通过浮法玻璃和Low-E玻璃的四个参数的统计对比发现,在相同破坏概率的情况下,浮法玻璃的四个表征参数数值均要低于Low-E玻璃,表明Low-E玻璃比浮法玻璃更耐高温。本文还利用有限元方法和Fortran语言编写了模拟玻璃破裂和裂纹传播的程序（EASY）,利用该软件对照文献和实验的数据开展玻璃破裂和裂纹传播研究,发现模拟结果同实际结果较为吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 玻璃的基本性质及其在建筑中的应用
• 1.1.1 玻璃的基本性质
• 1.1.2 玻璃的分类
• 1.1.3 玻璃在建筑中的应用及其发展前景
• 1.2 热荷载作用下玻璃破裂危险性及案例分析
• 1.3 热荷载作用下玻璃破裂脱落的研究进展
• 1.3.1 玻璃破裂的理论研究进展
• 1.3.2 玻璃破裂的实验研究进展
• 1.3.3 玻璃破裂的计算机模拟研究进展
• 1.3.4 前人工作不足与本文研究意义
• 1.4 本文的研究内容及章节安排
• 第二章 实验系统的设计和建设以及实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验系统的设计思想和原则
• 2.3 玻璃破裂行为模拟实验台的搭建
• 2.3.1 实验台本体
• 2.3.2 热荷载加载系统
• 2.3.3 水幕喷洒系统和排烟系统
• 2.3.4 控制系统
• 2.3.5 实验测量系统
• 2.4 玻璃的安装方式
• 2.5 玻璃表面温度差定义
• 2.6 本章小结
• 第三章 热荷载作用下玻璃破裂因素显著性分析
• 3.1 引言
• 3.2 热荷载作用下玻璃破裂因素显著性实验
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 实验结果
• 3.3 实验结果分析
• 3.3.1 实验结果的直观分析
• 3.3.2 实验结果的方差分析
• 3.3.3 温度差和热应力的中位线分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 热荷载作用下浮法玻璃破裂行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 显著性因素对浮法玻璃破裂的影响研究
• 4.2.1 玻璃厚度的影响
• 4.2.2 热辐射源升温速率的影响
• 4.2.3 遮蔽表面宽度的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 热荷载作用下 Low-E 玻璃破裂行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 显著性因素对Low-E 玻璃破裂的影响规律研究
• 5.2.1 辐射源升温速率的影响
• 5.2.2 遮蔽表面宽度的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 热荷载作用下玻璃破裂行为随机性分析
• 6.1 引言
• 6.2 最弱链理论
• 6.3 玻璃首次破裂主要参数的随机性分析
• 6.3.1 玻璃首次破裂时间统计分析
• 6.3.2 热荷载作用下玻璃破裂向火表面中心点温度的统计分析
• 6.3.3 热荷载作用下玻璃破裂位置处平均温度差的统计分析
• 6.3.4 热荷载作用下玻璃破裂位置处热应力的统计分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 热荷载作用下玻璃破裂数值模拟研究
• 7.1 引言
• 7.2 基本原理
• 7.2.1 热应力模型
• 7.2.2 断裂模型
• 7.3 EASY 模拟程序
• 7.3.1 EASY 程序模拟玻璃裂纹的流程图
• 7.3.2 波前求解器和Newmark 方法
• 7.3.3 网络拓扑
• 7.4 热荷载作用下玻璃破裂数值模拟结果
• 7.4.1 中心水平破裂的应力强度因子
• 7.4.2 中心水平裂纹与ANSYS 结果的比较
• 7.4.3 平面应力作用下单裂纹扩展
• 7.4.4 热载荷下玻璃破裂
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本研究的主要结论
• 8.2 论文的创新点
• 8.3 不足及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表的学术论文