燃氣爆炸荷載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)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

?

·建筑材料及應(yīng)用·

燃氣爆炸荷載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)國家重點實驗室，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氣爆炸效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，并探討了玻璃抗燃氣爆炸的發(fā)展方向，指出進行建筑玻璃在燃氣爆炸荷載下的破壞研究是有必要的。

燃氣爆炸，玻璃，荷載，抗爆性能

隨著玻璃制造工藝和建筑設(shè)計理念的不斷發(fā)展，玻璃材料越來越多地出現(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，可能碎裂為尖銳的小碎片。這些碎片具有較高的飛散速度，會對人員生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重的損害。從以往的爆炸事故來看，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)濟損失達3.5億元。2014年8月1日，臺灣高雄市陸續(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)多次爆炸。由于能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和燃氣工業(yè)的發(fā)展，燃氣越來越多地應(yīng)用在生產(chǎn)生活之中，燃氣爆炸事故也呈現(xiàn)頻發(fā)態(tài)勢。

當(dāng)發(fā)生室內(nèi)燃氣爆炸時，門窗作為重要的泄壓通道將會造成門窗玻璃破碎飛散，可能對建筑外部的人員造成嚴(yán)重的傷害。因此，對燃氣爆炸荷載作用下的建筑玻璃的破壞進行研究，具有一定的創(chuàng)新性和非常重要的現(xiàn)實意義。

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，這是因為玻璃經(jīng)過液體固化后形成，內(nèi)部分子完全任意排列。在加工生產(chǎn)過程中，原材料經(jīng)過加熱熔融，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。

平板玻璃的理論強度很高，但是實際強度要遠遠低于理論強度，抗拉強度甚至不到理論強度的1/100。這是因為玻璃的內(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]對浮法玻璃的抗壓性能進行了試驗研究，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)變有近似線性的關(guān)系，最終達到極限破壞應(yīng)力而發(fā)生脆性破壞。

李衛(wèi)平[3]進行了巴西圓盤劈裂試驗，對浮法玻璃的抗拉強度進行了研究。選用高度10 mm、直徑20 mm的浮法玻璃試件，由于玻璃的抗拉強度要遠遠小于其抗壓強度，所以玻璃試件會因拉應(yīng)力而破壞。玻璃的抗拉應(yīng)力遠遠小于抗壓應(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)計對抗爆性能至關(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，強度較高，不易破碎，即使破壞也會形成微小的顆粒，大大減小了玻璃碎片對人員的傷害。夾層玻璃破壞時，絕大多數(shù)碎片會被PVB膠層粘住，不會四處飛散，從而大大減小了對人員的傷害。所以，夾層玻璃具有較強的抗爆炸沖擊性能和安全性能。

Krauthammer和Altenberg[5]對爆炸沖擊波負壓段對建筑玻璃面板破壞的影響進行了研究，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化為突加線性衰減荷載，并考慮了沖擊波負壓段荷載。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]對夾層玻璃的邊界約束條件對抗爆性能的影響做了數(shù)值模擬研究和試驗研究，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破壞模式有較大的影響，在Hooper的試驗中玻璃板在正壓荷載作用下被推入窗框，而在Hong Hao的試驗中玻璃在負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。

葛杰和李國強等[7]對高應(yīng)變率下玻璃板碎片尺寸的理論模型進行了研究，基于材料損傷理論和損傷斷裂機理，對普通平板玻璃在高應(yīng)變率下的損傷破碎規(guī)律進行了分析，推導(dǎo)了不同應(yīng)變率下預(yù)測玻璃碎片大小的計算公式。

師燕超和李忠獻等[8]分析了爆炸荷載作用下建筑玻璃的破碎，利用節(jié)點分離法和單元刪除法對某現(xiàn)場爆炸試驗中的玻璃板的破碎進行數(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，并且節(jié)點分離法在模擬玻璃小尺寸碎片方面更具優(yōu)越性。

3 燃氣爆炸效應(yīng)研究現(xiàn)狀

近年來燃氣爆炸事故時有發(fā)生，嚴(yán)重危害居民生命安全。因此，可燃氣體爆炸效應(yīng)的影響因素和抑制措施已成為國內(nèi)外防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域?qū)W者關(guān)注的焦點。

Cooper和Fairweather等[9]對燃氣泄爆狀態(tài)下荷載的產(chǎn)生機理進行了較為詳細的分析，研究表明：典型壓力時程曲線存在四個峰值，其中第一個峰值與泄壓強度有關(guān)，第四個峰值是聲振不穩(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，對原因進行了研究，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建議。

郭文軍等[11]使用靜載進行數(shù)值模擬，研究了燃氣爆炸荷載作用下混凝土板的裂縫開展過程，計算結(jié)果較好地反映了裂縫發(fā)展的真實情況。郭文軍等[12]通過總結(jié)一些民用燃氣爆炸事故的事例，對引起各種結(jié)構(gòu)破壞的原因進行分類，提出了降低室內(nèi)燃氣爆炸對結(jié)構(gòu)危害的一些防護舉措。

4 結(jié)語

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極易發(fā)生破壞并形成高速飛散的碎片。這些碎片對人員的人身安全造成了嚴(yán)重威脅。

目前，國內(nèi)外針對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，而對室內(nèi)燃氣爆炸缺乏必要的研究。燃氣爆炸的荷載小，持續(xù)時間長，但是危害性依然很大。因此，進行建筑玻璃在燃氣爆炸荷載下的破壞研究是很有必要的。

[1] 趙西安.建筑幕墻工程手冊[M].北京：中國建筑工業(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.動載作用下浮法玻璃力學(xué)性能的實驗與數(shù)值模擬研究[D].南京：解放軍理工大學(xué)，2014.

[4] Norville H S,Smith M L.Survey of window glass broken by the Oklahoma City bomb on April 19,1995[R].Glass Research and Testing Laboratory,1995.

[5] Krauthammer T,Altenberg A.Negative phase effects on glass panels [J].Journal of Impact Engineering,2000(24):11-17.

[6] Xihong Zhang,Hong Hao.Experimental and numerical study of boundary and anchorage effect on laminated glass windows under blast loading[J].Engineering Structure,2015(90)：96-116.

[7] 葛 杰，李國強，陳素文.高應(yīng)變率加載下玻璃板碎片尺寸的理論模型[J].振動與沖擊，2013,32(1):69-72.

[8] 師燕超，于海濤，李忠獻.爆炸荷載作用下建筑玻璃的破碎分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2015,48(10):888-893.

[9] Cooper M G,Fairweather M,Tite J P.On the mechanisms of Pressure Generation in Vented Explosions[J].Combustion and Flame,1986(65):1-14.

[10] 王寶興，經(jīng)建生，王榮基.廚房發(fā)生嚴(yán)重天然氣爆炸的可能原因[J].消防技術(shù)與科學(xué),2007,26(6):702-703.

[11] 郭文軍，江見鯨，崔京浩.燃氣爆炸作用下板的的動力響應(yīng)分析[A].第八屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議[C].1999.

[12] 郭文軍，江見鯨，崔京浩.燃氣爆炸作用下房屋裂縫開展的分形模擬[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2000(4):35-38.

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

A