1 引言
隨著科技的進(jìn)步,人們?cè)絹碓蕉嗟膶?a style="font-size:1em; border-bottom:1px;border-bottom-style:dashed;border-bottom-color:blue" onmouseover="openNewDiv('newDiv','玻璃幕墻');callServer('玻璃幕墻');">玻璃幕墻等建筑玻璃應(yīng)用于現(xiàn)代建筑當(dāng)中。但是,近年來不斷發(fā)生的恐怖活動(dòng)和意外爆炸,讓人們開始關(guān)注建筑物的抗爆炸設(shè)計(jì)。研究表明,城市中的建筑物爆炸會(huì)引起巨大的破壞,造成極大傷亡,在這些傷亡人數(shù)中,很大一部分直接或者間接的是由建筑玻璃的破碎引起的。爆炸發(fā)生時(shí),沖擊波作用于玻璃上,造成玻璃的飛濺,對(duì)人們?cè)斐芍苯拥膫Γ硗鉀_擊波透過玻璃的縫隙進(jìn)入建筑物中又會(huì)對(duì)人們?cè)斐砷g接傷害。研究人員開始關(guān)注如何采用更加安全的建筑玻璃設(shè)計(jì),減少爆炸沖擊下建筑玻璃的飛散破壞,保證建筑物內(nèi)外人員的安全。國外在玻璃抗爆方面的研究已較為深入,制定了相應(yīng)規(guī)范,提出了玻璃抗爆設(shè)計(jì)的方法。國內(nèi)在這方面起步比較晚,研究尚不多見。目前雖然對(duì)抗爆玻璃的破壞強(qiáng)度、動(dòng)力響應(yīng)、安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了某些研究,但我國現(xiàn)行規(guī)范中尚沒有抗爆玻璃的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和相關(guān)規(guī)定,對(duì)建筑玻璃在爆炸荷載下的抗沖擊性能也缺乏足夠的認(rèn)識(shí),因此有關(guān)抗爆玻璃的設(shè)計(jì)方法,及其在理論、試驗(yàn)等方面仍需做很多的研究工作。本文對(duì)建筑玻璃在爆炸荷載作用下的破壞研究現(xiàn)狀做了較全面的綜述,并指出了今后建筑玻璃抗爆的主要研究方向。
2 玻璃材料性能
玻璃是經(jīng)過液體固化后形成的一種均質(zhì)透明的固體材料,表現(xiàn)出良好的各向同性。目前應(yīng)用于建筑中的玻璃多為鈉鈣硅酸鹽玻璃,主要成分是SiO2,在生產(chǎn)過程中經(jīng)過了高溫加熱,然后冷卻(詞條“冷卻”由行業(yè)大百科提供)成型,所以在室溫下玻璃表現(xiàn)出很好的脆性,并通常具有很好的彈性模量。
2.1 玻璃的力學(xué)性能
玻璃在低溫和常溫下基本是理想的彈性體,遵循胡克定律,玻璃的彈性模量為(44.1~88.2)×10的9次方,泊松比為0.2。玻璃在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力(詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供)應(yīng)變曲線與鋼材不同,鋼材在達(dá)到彈性極限之前,應(yīng)力應(yīng)變基本呈直線關(guān)系,在達(dá)到彈性極限之后,在應(yīng)力基本沒有變化的情況下,應(yīng)變會(huì)迅速增加,應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系。玻璃應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系,沒有明顯的屈服,是理想的彈脆性材料。鋼材與玻璃的應(yīng)力應(yīng)變拉伸曲線如圖1所示。
2.2 玻璃的強(qiáng)度
玻璃的實(shí)際強(qiáng)度一般僅為3×10的7次方~15×10的7次方Pa,比理論強(qiáng)度小很多,這主要是玻璃表面的微裂紋(詞條“裂紋”由行業(yè)大百科提供)、內(nèi)部的不均勻性(詞條“均勻性”由行業(yè)大百科提供)及各種缺陷造成的,這些原因使玻璃的強(qiáng)度不僅僅受原子間作用力的影響。實(shí)際中,可以采用Orowan公式計(jì)算玻璃的理論強(qiáng)度:
其中:Eγ 表示表面能,a表示離子間距離。為了簡化,強(qiáng)度理論也可以用σth=nE來表示,n是與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和鍵型有關(guān)的常數(shù),一般n取0.1~0.2。
建筑結(jié)構(gòu)中采用的玻璃一般可以分為平板玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、夾絲玻璃這幾類。
平板玻璃包括引上法平板玻璃(分有槽/無槽兩種)、平拉法平板玻璃和浮法玻璃(詞條“浮法玻璃”由行業(yè)大百科提供)。浮法玻璃由于厚度均勻、上下表面平整平行,勞動(dòng)生產(chǎn)率高且利于管理等方面的原因,正成為玻璃制造方式的主流。浮法玻璃是用海砂、硅砂、鉀化石、純堿(詞條“純堿”由行業(yè)大百科提供)、白云石等原料,按一定比例配制,經(jīng)熔窯高溫熔融,玻璃液從池窯連續(xù)流至并浮在金屬液面上,攤成厚度均勻平整、經(jīng)火拋光的玻璃帶,冷卻硬化(詞條“硬化”由行業(yè)大百科提供)后脫離金屬液,再經(jīng)退火切割而成的透明無色平板玻璃。平板玻璃廣泛應(yīng)用于建筑物的門窗(詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供)中。鋼化玻璃。它是普通平板玻璃經(jīng)過再加工處理而成一種預(yù)應(yīng)力玻璃。鋼化玻璃相對(duì)于普通平板玻璃來說,具有兩大特征:一是前者抗壓強(qiáng)度是后者的數(shù)倍,抗拉度是后者的3倍以上,抗沖擊是后者5倍以上;二是鋼化玻璃不容易破碎,即使破碎也會(huì)以無銳角的顆粒形式碎裂,對(duì)人體傷害大大降低。夾層玻璃是由兩片或兩片以上的單片玻璃和玻璃間的有機(jī)中間膠(PVB)合層構(gòu)成,PVB(聚乙烯(詞條“聚乙烯”由行業(yè)大百科提供)醇縮丁醛)具有很好的粘結(jié)性能,所以經(jīng)過兩層或者多層玻璃的夾膠,使夾層玻璃具有很好的抗沖擊性。當(dāng)玻璃受到破壞時(shí),PVB夾層會(huì)起到粘結(jié)作用,防止玻璃飛濺,起到保護(hù)作用。在目前,夾層玻璃是一種很好的抗爆玻璃材料,能減少?zèng)_擊波進(jìn)入室內(nèi)對(duì)居民的傷害。
中空玻璃是由兩層或多層平板玻璃構(gòu)成,周邊用高強(qiáng)、高氣密性的復(fù)合粘結(jié)劑將兩片或多片玻璃與密封條粘結(jié)密封。中空層充入空氣,所以中空玻璃具有隔音、保暖效果好的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)及現(xiàn)代新型建筑。夾絲玻璃是將普通平板玻璃加熱到紅熱軟化狀態(tài)時(shí),再將預(yù)熱處理過的鐵絲或鐵絲網(wǎng)壓入玻璃中間而制成。它的特性是防火(詞條“防火”由行業(yè)大百科提供)性優(yōu)越,可遮擋火焰,高溫燃燒時(shí)不會(huì)炸裂,破碎時(shí)不會(huì)造成碎片傷人。夾絲玻璃在受到撞擊時(shí)只會(huì)形成輻射狀裂紋而不至于墮下傷人,具有一定的抗沖擊能力,故多采用于高層樓宇和震蕩性強(qiáng)的廠房。
3 爆炸沖擊波荷載
一般來說,爆炸現(xiàn)象都是物質(zhì)變?yōu)橐环N高溫高壓氣體的化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)極為迅速,并隨之放出3000℃左右的高溫和幾萬個(gè)大氣壓的沖擊波。沖擊波是一種強(qiáng)烈的壓縮波,其波陣面前后介質(zhì)的參數(shù)是一種有限量的突躍變化,并在波頭上堆積起來,形成強(qiáng)間斷面(詞條“斷面”由行業(yè)大百科提供)。
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