一种热载荷作用下玻璃破裂脱落封闭箱体实验装置

摘要

本发明公开一种热载荷作用下玻璃破裂脱落封闭箱体实验装置，由组装式箱体、辐射升温系统、排烟系统、水幕喷淋系统、控制系统和测量系统组成。采用多重调节辐射源，实现辐射源同玻璃距离、辐射源升温速率、玻璃种类、平面大小、厚度及边缘平整度、玻璃固定框架的材质、玻璃边缘遮蔽宽度、玻璃边缘固定填充物、室内压力、水幕角度、水幕喷射的流量、水幕喷头个数、水幕喷射方式调节，较为全面地考虑热荷载作用下玻璃破裂的影响因素。同时由于辐射源的升温速率可以进行有效控制，可以在一定程度上避免其它实验装置升温过快、玻璃破裂过程难以进行观察的缺陷。

说明书

技术领域：

 当建筑物发生火灾时，玻璃的破裂脱落将会导致火势蔓延,研究玻璃在热载荷作用下的破裂脱落，属于建筑物在火灾中安全工程领域，也是当前火灾科学领域的热点之一,本发明具体涉及一种热载荷作用下玻璃破裂脱落封闭箱体实验装置。

 

背景技术：

在现代建筑中，玻璃广泛应用于建筑物的门、窗、顶棚、墙体等部位。由于玻璃是一种脆性材料，在热载荷作用下，玻璃将可能发生破裂乃至脱落。当建筑物发生火灾时，玻璃的脱落将会导致火势蔓延、人员安全疏散受阻等诸多问题，因此研究玻璃在热载荷作用下的破裂脱落是当前安全工程领域尤其是火灾科学领域的热点之一。

目前的实验装置主要分为两类：一类是全尺寸热释放速率实验台，如ISO9705实验台，它能够较为真实地模拟受限空间的火灾温度分布，这种实验台在目前应用较多，但是由于该标准实验台并不是专门用来研究玻璃的破裂脱落，虽然能够模拟真实的火灾场景，但是对于导致玻璃破裂脱落的一些影响因素考虑不够全面，只能够改变少量的实验条件进行玻璃破裂实验，难以达到全面揭示热载荷作用下玻璃破裂的内在机理。同时由于此类实验台的热源主要是油池火或固体可燃物火，难以控制火源的热释放速率，也难以观测玻璃破裂脱落全过程。还有一类是自行设计的实验台，其规格大小不一，一般以小尺寸为主，这类实验台一般可以改变的实验工况不多，仅能实现少数工况的更换，如改变玻璃种类、安装方式等。因此，这类试验台难以实现对多参数作用下玻璃破裂机制的研究。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种热载荷作用下玻璃破裂脱落封闭箱体实验装置，该装置能够实现多工况、多因素变化，进行热载荷作用下玻璃破裂脱落的研究。

  本发明为实现其目的所采取的技术方案：一种热载荷作用下玻璃破裂脱落封闭箱体实验装置，采用组装式箱体结构，所述组装式箱体包括辐射源（热源）箱体和含玻璃墙箱体，两者均安装在底部装有车轮的钢轨上，在所述辐射源箱体与含玻璃墙箱体之间设置一个或一个以上中空的子箱体，实际所述子箱体具有一至五个或多于五个，具有不同宽度、可灵活拆卸组装，主要作用是调节热源与待测玻璃之间的距离；所述含玻璃墙箱体内设置玻璃安装墙体。

 所述辐射源箱体内的辐射加热部件选用刚玉管外绕电阻丝构成，所述刚玉管安装在辐射源墙体上。

   所述含玻璃墙箱体顶部设置排烟管道、水幕管道和喷头；在含玻璃墙箱体底部设置下水口和集水箱。

   所述辐射源箱体和含玻璃墙箱体侧面设置紧固螺旋杆。

   所述含玻璃墙箱体固定在钢轨上。

   所述辐射源箱体可在钢轨上滑动。

本发明采用可以多重调节辐射源作为热源，进行热载荷作用下玻璃破裂实验。在实验中，可以实现辐射源同玻璃距离、辐射源升温速率、玻璃种类、玻璃平面大小、玻璃的厚度、玻璃边缘平整度、玻璃固定框架的材质、玻璃边缘遮蔽宽度、玻璃边缘固定填充物、水幕角度、水幕喷射的流量、水幕喷头个数、水幕喷射方式等实验工况的调节，较为全面地考虑了影响玻璃破裂的可能影响因素。同时由于辐射源的升温速率可以进行有效控制，可以在一定程度上避免其它实验装置升温速率过快，玻璃破裂过程难以进行观察的缺陷。

附图说明：

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步描述。

图1为本发明整体立体示意图。图中：1为辐射源箱体，2为刚玉管，3为电阻丝，4-1为一号子箱体， 4-2为二号子箱体，5为含玻璃墙箱体，6为玻璃安装墙体，7为玻璃固定框架，8为玻璃，9为下水口，10为集水箱，11为排烟管道，12为水幕管道及喷头，13为螺旋杆，14为钢轨，15为车轮。

图2为本发明整体平面示意图。图中：1为辐射源箱体，4-1为一号子箱体，4-2为二号子箱体，4-3为三号子箱体，4-4为四号子箱体，4-5为五号子箱体，5为含玻璃墙箱体，6为玻璃安装墙体，8为玻璃，9为下水口，10为集水箱，11为排烟管道，12为水幕管道及喷头，14为钢轨，15为车轮，16为控制柜，17为水泵，18为风机，19为摄像机，20为铁架台

图3为辐射源示意图。图中：21为辐射源墙体，2为刚玉管，3为电阻丝。

图4为玻璃安装墙体示意图。其中：6为玻璃安装墙体、7为玻璃固定框架、8为玻璃。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、2所示，本发明采用组装箱体式结构：辐射源箱体1和含玻璃墙箱体5均安装在底部装有车轮15的钢轨14上，在辐射源箱体1与含玻璃墙箱体5之间设置一个或一个以上子箱体，该子箱体具有不同宽度、可灵活拆卸组装、是具有四个面的中空箱体。本例中暂选用五个子箱体，其中一号和二号子箱4-1和4-2，宽度均为500mm；三号子箱体4-3宽度为100mm；四号和五号子箱体4-4和4-5，宽度均为200mm。子箱体的主要作用是调节辐射源箱体1与含玻璃墙箱体5之间的距离，也就是调节实验中热源与玻璃之间的距离。在辐射源箱体1内设有辐射加热部件，该辐射加热部件选用刚玉管外绕电阻丝构成，刚玉管2安装在辐射源箱体内的辐射源墙体21上，如图3所示。

在含玻璃墙箱体5内设置玻璃安装墙体6及玻璃固定框架7，待测玻璃8即安装在玻璃固定框架7上，如图4所示。

在含玻璃墙箱体5顶部设置排烟管道11、水幕管道和喷头；排烟管道11同风机18连接，起到箱体内排烟作用；水幕管道同水泵17连接，水泵起到调节管道供水压力作用；在待测玻璃两侧设置多个水幕喷头。在含玻璃墙箱体底部设置有下水（或出水）口9和集水箱10。

辐射源箱体1和含玻璃墙箱体5侧面设置紧固件螺旋杆13。含玻璃墙箱体5是固定在钢轨14上的，而辐射源箱体1可在钢轨上滑动，根据实验需要以调节它们之间的距离。

含玻璃墙箱体、辐射源箱体加上五个子箱体组装之后，内部空腔有效尺寸为2000×1000×1000（mm）。

主箱体内部衬有100mm厚的硅酸铝耐火纤维板，内部耐火纤维板涂上高温防水涂料。主箱体外部包有涂漆薄钢板，顶部为平吊结构，表面安装有喷漆挂板。箱体底部设置有钢轨（道），各个子箱体安装在轨道上。在轨道框架下设有车轮四只，可以实现箱体的整体移动。

在主箱体另一端，含玻璃墙箱体内设有玻璃安装墙体，待测玻璃安装在玻璃固定框架内。可安装六种（根据需要可定做更多规格）不同尺寸的玻璃： 800mm×800mm、600mm×600mm、300mm×300mm、800mm×600mm、800mm×300mm、600mm×300mm，玻璃的厚度可以选择从4mm至30mm范围内进行安装，可以安装不同类型玻璃。玻璃的安装框架为不锈钢框架，能够自由更换材质，实现玻璃固定框架的材质自由更换。玻璃固定框架的宽度采用固定式设计，可以设计不同宽度的玻璃固定框架。

辐射升温系统由刚玉管（Ф35）外绕电阻丝（Ф3.00Cr25Al5）构成，其设计功率为90kW。

温控系统安装在控制柜上，主要由智能温控表和可控硅组成，控制辐射加热功率。

排烟管道和排烟风机，主要用作箱体内的水蒸气和烟气排放。

水幕系统包括：水幕、水管、加长管、水幕喷头、水泵（LR-300）、下水(出水)管道口和集水箱（槽）。水幕安装在玻璃墙体两侧，分别在玻璃两侧设置喷头，可以实现全部三种功能的水幕：冷却型水幕、阻火型水幕和防火型水幕。其中水幕喷射到玻璃的角度可以实现从0°至90°之间调整。

控制柜分别安装有智能温控表、压力计、流量计、风机开关按钮等。采用15段编程控制温度调节，可根据需要设置升温速率。压力计和流量计分别记录水幕管道的压力和流量。

测量系统主要由铁架台、热电偶、热流计、高温应变片、摄像机（或高速摄像仪）等构成。热电偶和热流计通过铁架台的固定，布置在玻璃待测位置，内部和外部均进行布设。高温应变片布置在待测玻璃表面待测位置。普通摄像机布置在箱体外部，从玻璃背火面进行拍摄。另外还有数据采集仪、动态应变仪等必备的采集仪器。

实施例1，研究玻璃8在不同压力水幕保护下破裂行为。各参数确定为：玻璃8选定600mm×600mm,厚度为6mm；玻璃固定框架7材质为不锈钢，厚度为1mm，框架高度为20mm；玻璃的边缘进行磨边处理；玻璃的安装方式为固定框架7中间放置玻璃，框架内用石膏（石膏粉兑水）填充，玻璃8两侧石膏均为4mm厚；辐射升温速率分为三个阶段，第一阶段以20℃/min从常温升至300℃，第二阶段以10℃/min从300℃升高至800℃，第三阶段在800℃保温10分钟；辐射源箱体1与玻璃8距离为1500mm；水幕管道和喷头12在加热到7分钟时开启水泵17，开始实施喷淋，供水管道内压力为0.1MPa（或0.2MPa、0.3MPa），在玻璃8两侧同时施加水幕，开启每侧中央位置的喷头（两侧各一个），喷头出水口位置是垂直向下；排烟风机18在水幕打开后开启。

首先将玻璃安装墙体6安装在含玻璃墙箱体5上，用螺丝固定牢玻璃安装墙体6的四个角，然后将铁架台20放置在玻璃安装墙体6的两侧（背火面和向火面），选定玻璃固定框架7，放置待测玻璃8在玻璃固定框架7中间，通过添加填充物（两侧4mm厚石膏），使玻璃8同框架之间固定。把装有玻璃8的玻璃固定框架7安装在玻璃安装墙体6上，在玻璃8表面布置热电偶和高温应变片。布置水幕管道及喷头12，确保水幕喷淋和排烟管道11正常工作。根据实验方案，将辐射源墙体1、含玻璃墙箱体5和500mm宽的一号子箱体4-1和500mm宽的二号子箱体4-2进行组装，在各箱体结合处，贴上一层较薄的耐火棉，然后用主箱体外部安装的螺旋杆13进行压紧，完成箱体安装。

根据实验设置，使用控制柜16上的智能温控表设置温度升高曲线，第一阶段以20℃/min从常温升至300℃，第二阶段以10℃/min从300℃升高至800℃，第三阶段在800℃保温10分钟。调试外部测量和数据采集仪器，如摄像机19、数据采集仪、动态应变仪等。设置好所有的仪器后，开始加热，启动各测量仪器，记录实验数据和图像。根据实验方案，施加0.1MPa（或0.2MPa、0.3MPa）水幕，开启排烟风机18。

实验中能够直接得到待测玻璃8上各测量点的温度曲线、玻璃8破裂时间、脱落时间、玻璃8表面的应变和观测到玻璃8破裂全过程，进而分析各参数对玻璃8破裂脱落的影响。

实验结束后，关闭辐射源、各类控制仪器，切断电源、水源。

实施例2，玻璃8厚度对玻璃破裂脱落的影响。各参数确定为：玻璃8大小定为300mm×300mm，厚度为4mm、6mm、10mm、12mm、19mm；玻璃固定框架7材质为不锈钢，厚度为0.7mm，框架高度为10mm；玻璃的边缘不做磨边处理；玻璃的安装方式为框架中间放置玻璃8，框架内用胶条填充，胶条的厚度为4mm，填充在玻璃8的两侧；辐射源升温速率为第一阶段以15℃/min从常温升高至600℃，第二阶段在600℃保温10分钟；辐射源距离玻璃8为2000mm；水幕系统及排烟系统均不开启。

通过下面实验方案开始实验。将玻璃安装墙体6安装在含玻璃墙箱体5上，用螺丝固定牢玻璃安装墙体6的四个角，然后将铁架台20放置在玻璃安装墙体6的两侧（背火面和向火面），根据待测玻璃8的厚度（4mm、6mm、10mm、12mm）加填充物（4mm厚胶条），使玻璃8同框架之间固定。把装有玻璃8的玻璃固定框架7安装在玻璃安装墙体6上，在玻璃8表面布置好热电偶和高温应变片。根据实验方案，将辐射源墙体1、500mm宽一号子箱体4-1和二号子箱体4-2、200mm宽四号子箱体4-4和五号子箱体4-5、100mm宽三号子箱体4-3和含玻璃墙箱体5进行组装，在各箱体结合处，贴上一层较薄的耐火棉，然后用箱体外部安装的螺旋杆13进行压紧，完成箱体安装。

根据实验设置，在控制柜16上智能温控表设置温度升高速率，第一阶段以15℃/min从常温升高至600℃，第二阶段在600℃保温10分钟。调试外部测量和数据采集仪器，如摄像机19、数据采集仪、动态应变仪等。设置好所有的仪器后，开始加热，启动各测量仪器，记录实验数据和图像。

实验中能够直接得到玻璃8上各测量点的温度曲线、玻璃破裂时间、脱落时间、玻璃表面的应变和观测到玻璃破裂全过程，进而分析各参数对玻璃破裂脱落的影响

实验结束后，关闭辐射源，关闭各类控制仪器，切断电源、水源。

 

本装置的一些硬件设施可进行简单改造就可增加一些实验参数。

可改变热载荷的方式进行试验，如使用明火进行试验，可以在辐射源箱体1内部放置油盘或者固体可燃物进行实验。另外箱体底部也可以进行改造，安装燃烧器，并外接气瓶，就可以使用气体火焰进行实验。

实验的水幕喷淋可以进行改造，可将水幕喷头更换为水喷淋喷头和细水雾喷头，可以模仿火灾中高温玻璃受到水流的直接喷射或者保护而破裂脱落的行为等。