建筑玻璃在爆炸荷载作用下的破坏研究综述

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中空玻璃是由两层或多层平板玻璃构成，周边用高强、高气密性的复合粘结剂将两片或多片玻璃与密 封条粘结密封[13]。中空层充入空气，所以中空玻璃具有隔音、保暖效果好的优点，广泛应用于北方寒冷地 区及现代新型建筑。 夹丝玻璃是将普通平板玻璃加热到红热软化状态时，再将预热处理过的铁丝或铁丝网压入玻璃中间而 制成。它的特性是防火性优越，可遮挡火焰，高温燃烧时不会炸裂，破碎时不会造成碎片伤人[13]。夹丝玻 璃在受到撞击时只会形成辐射状裂纹而不至于堕下伤人，具有一定的抗冲击能力，故多采用于高层楼宇和 震荡性强的厂房。
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―18]
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图3 冲击波时程曲线
计算冲击波压力与正压区冲量可用如下公式[18]：
t t (2) p (t ) pmax 1 e td , I d p (t )dt t0 td γ 来描述。 比如典型的三角脉冲荷载就可以取 =1 和 γ=0 对于不同形式的荷载， 可以取不同的参数 、 [19―21] 。 来描述
。爆炸发生时，冲击波作用于玻璃上，造成玻璃的飞溅，对人们造成直接的伤害，另外冲击波透过
玻璃的缝隙进入建筑物中又会对人们造成间接伤害[4]。研究人员开始关注如何采用更加安全的建筑玻璃设 计，减少爆炸冲击下建筑玻璃的飞散破坏，保证建筑物内外人员的安全。国外在玻璃抗爆方面的研究已较 为深入，制定了相应规范，提出了玻璃抗爆设计的方法[5
A REVIEW OF RESEARCH ON THE FAILURE OF GLASS UNDER EXPLOSIVE LOADS
LI Wei-ping , LIU Jin-chun
(1. College of Defense Engineering, PLA University of Science and Technology, Jiangsu, Nanjing 210007, China; 2. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, Jiangsu, Nanjing 210007, China)
1 引言
随着科技的进步，人们越来越多的将玻璃幕墙等建筑玻璃应用于现代建筑当中[1]。但是，近年来不断 发生的恐怖活动和意外爆炸，让人们开始关注建筑物的抗爆炸设计。研究表明，城市中的建筑物爆炸会引 起巨大的破坏，造成极大伤亡，在这些伤亡人数中，很大一部分直接或者间接的是由建筑玻璃的破碎引起 的[2
―3]
Abstract:
As the time went by, a growing number of glass structures appear in the building. But the main reason
why a large of people would be hurt and die in terrorist and accident explosions attacks is the splash of pieces of glass, so it becomes a hot spot to research and design of blast-resistant glass. In order to study the damage mechanism of glass, put forward a reliable design method of blast-resistant glass. This paper presents a review of blast-resistant glazing properties, research and analysis methods and recent studies on the failure of glass under explosive loads. Key words: glazing window; explosive loads; failure; blast wave
基金项目：国家自然科学基金项目(51278491) 作者简介：李卫平(1988―)，男，硕士生，主要从事工程抗爆及防灾减灾研究； *柳锦春(1973―)，男，泰州人，教授，博士，主要从事工程抗爆及防灾减灾研究(E-mail: weise@).
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因此有关抗爆玻璃的设计方法，及其在理论、试验等方面仍需做很多的研究工作。本文对建筑玻璃在爆炸 荷载作用下的破坏研究现状做了较全面的综述，并指出了今后建筑玻璃抗爆的主要研究方向。
―6]
。国内在这方面起步比较晚，研究尚不多见。
目前虽然对抗爆玻璃的破坏强度、动力响应、安全性及经济性等方面进行了某些研究，但我国现行规范中 尚没有抗爆玻璃的设计计算方法和相关规定，对建筑玻璃在爆炸荷载下的抗冲击性能也缺乏足够的认识，
钢材
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Hale Waihona Puke 玻璃 图1 钢材和玻璃的应力应变关系比较 图2 冲击波在空中的传播
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玻璃的实际强度一般仅为 3×107~15×107Pa，比理论强度小很多[8]，这主要是玻璃表面的微裂纹、内部 的不均匀性及各种缺陷造成的，这些原因使玻璃的强度不仅仅受原子间作用力的影响。 实际中，可以采用 Orowan 公式计算玻璃的理论强度： (1) a 其中：Eγ 表示表面能，a 表示离子间距离。为了简化，强度理论也可以用 σth=nE 来表示，n 是与物质结构 和键型有关的常数，一般 n 取 0.1~0.2。 建筑结构中采用的玻璃一般可以分为平板玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃、夹丝玻璃这几类。 平板玻璃包括引上法平板玻璃(分有槽/无槽两种)、平拉法平板玻璃和浮法玻璃。浮法玻璃由于厚度均 匀、上下表面平整平行，劳动生产率高且利于管理等方面的原因，正成为玻璃制造方式的主流。浮法玻璃 是用海砂、硅砂、钾化石、纯碱、白云石等原料，按一定比例配制，经熔窑高温熔融，玻璃液从池窑连续 流至并浮在金属液面上，摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带，冷却硬化后脱离金属液，再经退火切割 而成的透明无色平板玻璃[11]。平板玻璃广泛应用于建筑物的门窗中。 钢化玻璃。它是普通平板玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃。钢化玻璃相对于普通平板玻璃来 说，具有两大特征:一是前者抗压强度是后者的数倍，抗拉度是后者的 3 倍以上，抗冲击是后者 5 倍以上； 二是钢化玻璃不容易破碎，即使破碎也会以无锐角的颗粒形式碎裂，对人体伤害大大降低。 夹层玻璃是由两片或两片以上的单片玻璃和玻璃间的有机中间胶(PVB)合层构成，PVB(聚乙烯醇缩丁 醛)具有很好的粘结性能，所以经过两层或者多层玻璃的夹胶，使夹层玻璃具有很好的抗冲击性[12]。当玻 璃受到破坏时，PVB 夹层会起到粘结作用，防止玻璃飞溅，起到保护作用。在目前，夹层玻璃是一种很好 的抗爆玻璃材料，能减少冲击波进入室内对居民的伤害。 ・Ⅲ-177・
7i2epcddc2玻璃在爆炸荷载作用下的研究现状41玻璃在风荷载下的研究风会对建筑结构产生风压荷载风引起的风沙会对建筑上安置的玻璃产生风沙荷载风沙荷载对夹层玻璃的破坏引起了研究人员的注意部分学者从玻璃材料的性质玻璃在抗风压抗冲击条件下的材料参iii78数和几何参数入手对这一问题进行了研究
文章编号：CSTAM2013-P28-E0220
2 玻璃材料性能
玻璃是经过液体固化后形成的一种均质透明的固体材料，表现出良好的各向同性。目前应用于建筑中 的玻璃多为钠钙硅酸盐玻璃，主要成分是 SiO2，在生产过程中经过了高温加热，然后冷却成型，所以在室 温下玻璃表现出很好的脆性，并通常具有很好的弹性模量[7]。 2.1 玻璃的力学性能 玻璃在低温和常温下基本是理想的弹性体，遵循胡克定律[8]，玻璃的弹性模量为(44.188.2)×109，泊松 比为 0.2[9]。玻璃在拉伸状态下的应力应变曲线与钢材不同，钢材在达到弹性极限之前，应力应变基本呈直 线关系，在达到弹性极限之后，在应力基本没有变化的情况下，应变会迅速增加，应力应变呈非线性关系。 玻璃应力应变呈线性关系，没有明显的屈服，是理想的弹脆性材料。钢材与玻璃的应力应变拉伸曲线如图 1 所示[8,10]。 2.2 玻璃的强度
建筑玻璃在爆炸荷载作用下的破坏研究综述
李卫平，*柳锦春
(1. 解放军理工大学国防工程学院，江苏，南京 210007；2. 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏，南京 210007)
摘
要：随着时代的发展，玻璃幕墙等建筑结构越来越多地出现在建筑当中。但在恐怖袭击和偶然爆炸作用下玻
璃碎片的飞溅往往却是导致人员大量伤亡的主要原因。因此，建筑玻璃的抗爆研究和设计渐渐成为一个热点。为 了进一步了解建筑玻璃在爆炸荷载作用下的破坏机理，以提出可靠的建筑玻璃抗爆设计方法，本文对建筑玻璃在 爆炸荷载作用下的破坏研究现状做了较全面的综述，并指出了今后建筑玻璃抗爆研究的主要方向。 关键字：建筑玻璃；爆炸荷载；破坏；冲击波
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4 玻璃在爆炸荷载作用下的研究现状
4.1 玻璃在风荷载下的研究 风会对建筑结构产生风压荷载，风引起的风沙会对建筑上安置的玻璃产生风沙荷载，风沙荷载对夹层 玻璃的破坏引起了研究人员的注意，部分学者从玻璃材料的性质，玻璃在抗风压、抗冲击条件下的材料参
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数和几何参数入手，对这一问题进行了研究。 Ji 等学者关注夹层玻璃外层玻璃的破坏，他们研究了外层玻璃板在低速小颗粒碰撞下的破坏概率[22]， 得到了与计算结果比较吻合的实验数据。从他们的研究结果可以看出外层玻璃板的破坏概率主要与碰撞速 度有关，而玻璃板的厚度对破坏概率的影响较小，PVB 胶片对外层玻璃板的应力破坏影响更小。在夹层玻 璃的内层玻璃方面， Kaiser 进行了深入研究， 发现内层玻璃板的厚度和 PVB 胶合层的厚度对内层玻璃板抗 [23] [24-26] 破碎性有很大的影响 。Flocker 和 Dharani 则研究了夹层玻璃板在风沙颗粒碰撞作用下的应力特征、 破碎模型和抗碰撞性能。 4.2 玻璃在爆炸冲击荷载下的研究 近年来，随着恐怖事件的不断发生，研究玻璃在爆炸荷载下的动态响应也开始变成一个热点，因为经 研究发现，在爆炸发生时，大部分伤亡人员是由飞溅的玻璃碎片导致的。 Krauthammer 和 Altenbergt 把玻璃简化为单自由度弹性体，并简化冲击波为线性衰减荷载，考虑爆炸 荷载负压段对玻璃板的影响研究玻璃板性能[27]。结果发现不同冲击荷载下玻璃板可能被冲到建筑物内，也 有可能脱离边框朝外掉落。Wei 采用两参数韦布尔分布用研究夹层玻璃在爆炸荷载下的破坏概率[28]。分析 中考虑爆炸冲量、玻璃板厚度、PVB 胶片厚度、玻璃板面积和宽厚比等参数的影响。玻璃板和 PVB 胶片 分别看作弹性和线性粘弹性材料。Dhar 等用有限元法研究了爆炸荷载作用下夹层玻璃板的破坏概率[29]。 Riedel 和 Fischer 等研究了爆炸条件下的砖石-玻璃结构的响应， 提出了一种新的砖石-玻璃结构改进系统[30]。 Makovicka 和 Lexa 对爆炸荷载作用下玻璃板进行了解析和试验研究[31]。 研究了爆炸冲击波系数对玻璃板性 能的影响。华侨大学高轩能和王书鹏[32]用有限元法对不同厚度夹层玻璃板在长期、短期静力和爆炸冲击荷 载作用下的变形进行了模拟计算，提出了夹层玻璃的等效厚度计算公式：
3 爆炸冲击波荷载
一般来说，爆炸现象都是物质变为一种高温高压气体的化学反应，反应极为迅速，并随之放出 3000℃左右的高温和几万个大气压的冲击波。冲击波是一种强烈的压缩波，其波阵面前后介质的参数是一 种有限量的突跃变化，并在波头上堆积起来，形成强间断面[14-15]。 爆炸产物在空气中呈有规律膨胀收缩的脉动过程，但对破坏作用有实际意义的只是第一次的膨胀和压 缩脉动过程。爆炸产物与空气的分界面刚开始是清晰的，由于产物的脉动过程，特别是分界面周围产生的 湍流效应使界面越来越模糊，最后与空气介质混在一起。一般认为，当爆炸物停止膨胀时，空气冲击波就 与爆炸产物分离，并独自向前传播[16]。爆炸空气冲击波在传播过程中，波的前沿以超声速传播，而正压区 的尾部是以与压力 p 相对应的声速传播，所以正压区被不断拉宽，受压缩的空气量不断增加，使得单位质 量空气的平均能量不断下降。因此，空气冲击波传播过程中波阵面压力在初始阶段衰减很快，后期衰减平 缓。爆炸空气冲击波的传播如图 2 所示 冲击波荷载的形状可以用图 3 的时程曲线来表示[17