榮 超

(解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

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·建筑材料及應(yīng)用·

燃?xì)獗ê奢d下玻璃的破壞研究綜述

榮 超

(解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

結(jié)合玻璃的材料特性，綜合論述了玻璃抗爆與燃?xì)獗ㄐ?yīng)的研究現(xiàn)狀，并探討了玻璃抗燃?xì)獗ǖ陌l(fā)展方向，指出進(jìn)行建筑玻璃在燃?xì)獗ê奢d下的破壞研究是有必要的。

燃?xì)獗?，玻璃，荷載，抗爆性能

隨著玻璃制造工藝和建筑設(shè)計(jì)理念的不斷發(fā)展，玻璃材料越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的日常生活之中[1]。但是，玻璃是脆性材料，在受到爆炸沖擊作用時(shí)，可能碎裂為尖銳的小碎片。這些碎片具有較高的飛散速度，會(huì)對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的損害。從以往的爆炸事故來(lái)看，玻璃碎片造成的人員傷亡占很高的比例，飛散的玻璃碎片對(duì)附近的行人和建筑內(nèi)的居民構(gòu)成了嚴(yán)重的生命威脅。

2014年8月2日，江蘇省昆山市中榮金屬制品有限公司拋光車(chē)間發(fā)生了特別重大鋁粉塵爆炸事故，造成人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3.5億元。2014年8月1日，臺(tái)灣高雄市陸續(xù)發(fā)生可燃?xì)怏w外泄，并引發(fā)多次爆炸。由于能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和燃?xì)夤I(yè)的發(fā)展，燃?xì)庠絹?lái)越多地應(yīng)用在生產(chǎn)生活之中，燃?xì)獗ㄊ鹿室渤尸F(xiàn)頻發(fā)態(tài)勢(shì)。

當(dāng)發(fā)生室內(nèi)燃?xì)獗〞r(shí)，門(mén)窗作為重要的泄壓通道將會(huì)造成門(mén)窗玻璃破碎飛散，可能對(duì)建筑外部的人員造成嚴(yán)重的傷害。因此，對(duì)燃?xì)獗ê奢d作用下的建筑玻璃的破壞進(jìn)行研究，具有一定的創(chuàng)新性和非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 玻璃的材料性質(zhì)

玻璃的材料性能不受方向決定，具有很好的各向同性，這是因?yàn)椴ＡЫ?jīng)過(guò)液體固化后形成，內(nèi)部分子完全任意排列。在加工生產(chǎn)過(guò)程中，原材料經(jīng)過(guò)加熱熔融，形成粘稠狀，然后冷卻成型。一般用于建筑中的玻璃大多是鈉鈣硅酸鹽玻璃，主要成分為SiO2。

平板玻璃的理論強(qiáng)度很高，但是實(shí)際強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度甚至不到理論強(qiáng)度的1/100。這是因?yàn)椴ＡУ膬?nèi)部存在很多不平均和缺陷，表面也有很多微小的裂紋。

Xihong Zhang和Hong Hao等[2]對(duì)浮法玻璃的抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，選用厚度為15 mm、直徑為15 mm的浮法玻璃材料作為試件。試件的密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.23。得到平均最大應(yīng)力為256.13 MPa，應(yīng)變的平均值為0.004，變化范圍為10%左右，得到彈性壓縮模量的平均值為66 GPa，變化范圍為7%。玻璃試件的應(yīng)力應(yīng)變有近似線(xiàn)性的關(guān)系，最終達(dá)到極限破壞應(yīng)力而發(fā)生脆性破壞。

李衛(wèi)平[3]進(jìn)行了巴西圓盤(pán)劈裂試驗(yàn)，對(duì)浮法玻璃的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究。選用高度10 mm、直徑20 mm的浮法玻璃試件，由于玻璃的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，所以玻璃試件會(huì)因拉應(yīng)力而破壞。玻璃的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓應(yīng)力，最終的平均極限拉伸應(yīng)力和應(yīng)變分別為22.21 MPa和0.000 648。

2 玻璃抗爆研究現(xiàn)狀

建筑玻璃的材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗爆性能至關(guān)重要。建筑玻璃一般分為浮法玻璃、鋼化玻璃和夾層玻璃。浮法玻璃的抗爆性能很差，容易破碎，并形成尖銳的碎片，對(duì)人員造成極大的傷害[4]。鋼化玻璃的抗爆性能好于浮法玻璃，強(qiáng)度較高，不易破碎，即使破壞也會(huì)形成微小的顆粒，大大減小了玻璃碎片對(duì)人員的傷害。夾層玻璃破壞時(shí)，絕大多數(shù)碎片會(huì)被PVB膠層粘住，不會(huì)四處飛散，從而大大減小了對(duì)人員的傷害。所以，夾層玻璃具有較強(qiáng)的抗爆炸沖擊性能和安全性能。

Krauthammer和Altenberg[5]對(duì)爆炸沖擊波負(fù)壓段對(duì)建筑玻璃面板破壞的影響進(jìn)行了研究，在分析中將建筑玻璃板等效為單自由度體系，將空氣沖擊波正向段荷載簡(jiǎn)化為突加線(xiàn)性衰減荷載，并考慮了沖擊波負(fù)壓段荷載。結(jié)果表明，在不同情況下建筑玻璃板既可能被爆炸沖擊波推入建筑物內(nèi)，也可能朝著相反的方向脫離窗框。

Xihong Zhang和Hong Hao[6]對(duì)夾層玻璃的邊界約束條件對(duì)抗爆性能的影響做了數(shù)值模擬研究和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)玻璃在支撐邊界的嵌入深度與窗框的尺寸的比值大小對(duì)破壞模式有較大的影響，在Hooper的試驗(yàn)中玻璃板在正壓荷載作用下被推入窗框，而在Hong Hao的試驗(yàn)中玻璃在負(fù)壓荷載作用下被拉出窗框，主要原因是前者的嵌入深度只有25 mm，而后者是50 mm。Hong Hao等還發(fā)現(xiàn)使用滑移約束可以減小玻璃在支撐邊界破壞的概率。

葛杰和李國(guó)強(qiáng)等[7]對(duì)高應(yīng)變率下玻璃板碎片尺寸的理論模型進(jìn)行了研究，基于材料損傷理論和損傷斷裂機(jī)理，對(duì)普通平板玻璃在高應(yīng)變率下的損傷破碎規(guī)律進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了不同應(yīng)變率下預(yù)測(cè)玻璃碎片大小的計(jì)算公式。

師燕超和李忠獻(xiàn)等[8]分析了爆炸荷載作用下建筑玻璃的破碎，利用節(jié)點(diǎn)分離法和單元?jiǎng)h除法對(duì)某現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)中的玻璃板的破碎進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：隨著爆炸比例距離的減小，生成的小碎片越多，拋射速度越大，相應(yīng)的拋射距離越遠(yuǎn)，并且節(jié)點(diǎn)分離法在模擬玻璃小尺寸碎片方面更具優(yōu)越性。

3 燃?xì)獗ㄐ?yīng)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)燃?xì)獗ㄊ鹿蕰r(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害居民生命安全。因此，可燃?xì)怏w爆炸效應(yīng)的影響因素和抑制措施已成為國(guó)內(nèi)外防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注的焦點(diǎn)。

Cooper和Fairweather等[9]對(duì)燃?xì)庑贡瑺顟B(tài)下荷載的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，研究表明：典型壓力時(shí)程曲線(xiàn)存在四個(gè)峰值，其中第一個(gè)峰值與泄壓強(qiáng)度有關(guān)，第四個(gè)峰值是聲振不穩(wěn)定燃燒的結(jié)果。

王寶興和經(jīng)建生等[10]分析了一起嚴(yán)重的廚房天然氣爆炸事故，對(duì)原因進(jìn)行了研究，指出事故原因是發(fā)生了聲振不穩(wěn)定燃燒壓力峰，并且相應(yīng)給出了減小廚房天然氣爆炸危害度的幾點(diǎn)建議。

郭文軍等[11]使用靜載進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了燃?xì)獗ê奢d作用下混凝土板的裂縫開(kāi)展過(guò)程，計(jì)算結(jié)果較好地反映了裂縫發(fā)展的真實(shí)情況。郭文軍等[12]通過(guò)總結(jié)一些民用燃?xì)獗ㄊ鹿实氖吕瑢?duì)引起各種結(jié)構(gòu)破壞的原因進(jìn)行分類(lèi)，提出了降低室內(nèi)燃?xì)獗▽?duì)結(jié)構(gòu)危害的一些防護(hù)舉措。

4 結(jié)語(yǔ)

玻璃材料具有優(yōu)越性能，因而廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。但是玻璃是脆性材料，在受到爆炸沖擊作用時(shí)極易發(fā)生破壞并形成高速飛散的碎片。這些碎片對(duì)人員的人身安全造成了嚴(yán)重威脅。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)玻璃的抗爆研究主要集中在建筑玻璃承受外部炸藥爆炸荷載方面，而對(duì)室內(nèi)燃?xì)獗ㄈ狈Ρ匾难芯?。燃?xì)獗ǖ暮奢d小，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，但是危害性依然很大。因此，進(jìn)行建筑玻璃在燃?xì)獗ê奢d下的破壞研究是很有必要的。

[1] 趙西安.建筑幕墻工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[2] Xihong Zhang,Hong Hao,Yang Zou.Laboratory Test on Dynamic Material Properties of Annealed Float Glass[J].International Journal of Protective Structures,2012,3(4):407-430.

[3] 李衛(wèi)平.動(dòng)載作用下浮法玻璃力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].南京：解放軍理工大學(xué)，2014.

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[11] 郭文軍，江見(jiàn)鯨，崔京浩.燃?xì)獗ㄗ饔孟掳宓牡膭?dòng)力響應(yīng)分析[A].第八屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議[C].1999.

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A review of research on the failure of glass under gas blast loading

Rong Chao

(StateKeyLaboratoryofDisasterPrevention&Mitigationof

Explosion&Impact,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Combining with the material features of the glass, the paper indicates the research on the glass exploration resistance and gas blast effect, explores the direction of the glass for the gas explosion resistance, and points out the necessity for the damage study of the architectural glass under the gas explosion loading.

gas explosion, glass, loading, explosion resistance performance

2016-03-25

榮 超(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2016)16-0117-02

TU382

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