平板安全玻璃的沖擊阻力和表面缺陷的影響

    近年來，作為安全玻璃，層狀玻璃和剛化玻璃廣泛用于工業和民用建筑上。安全玻璃的抗沖擊性能是檢驗結構的安全性能的重要指標。英國和我國都相繼采用雙輪胎擺式沖擊大塊玻璃的沖擊實驗來測試建筑安全玻璃的可靠性。通過這種沖擊實驗，可以研究玻璃構件的臨界沖擊能以及表面缺陷的影響。本工作的目的是通過沖擊實驗和理論分析了解建筑玻璃的可靠性和各種因素的影響。

　　1.實驗與分析
　　安全玻璃實驗樣品固定后的框內寬度為847±5mm高度為 1910±5mm，層合玻璃的厚度結構為6/1/6mm，擺頭從不同的高度沖擊樣品，然后檢查破壞形貌，實驗基本原理如圖1所示意。 　　　　　　
　　由于撓度隨剛度的增加而減小，沖擊力隨剛度的增加而增大。顯然，剛度和臨界應變是影響沖擊強度的關鍵因素。實驗表明，對于在沖擊實驗中沒有破壞的樣品，其沖擊阻力在會逐漸下降，這主要是由于表面損傷的發展所引起。從原理上來看，失效是應變控制，而應變是撓度控制，這種連鎖關系（如圖3）所示。而撓度又可以通過沖擊高度來估計（如圖4）。最大應力與撓度之間具有線性關系，見圖5。 　   2.實驗結果與討論
　　安全玻璃樣品受沖擊后可以分為合格和不合格兩類,評判方法采用一個直徑為76毫米的球頭，若低于25牛頓的力使該球頭能通過破損處，則為不合格，通不過為合格。圖6a為中國建材院研制的沖擊效果測試儀，它能在25牛頓力時發出警鈴聲。圖6b是沖擊后沒有穿透的合格樣品，圖6c是沖擊后不合格的樣品。　　　
　　實驗結果表明臨界沖擊能具有較大的離散性，這是由于玻璃材料的本性所決定的。相同厚度的玻璃可能有不同的臨界沖擊能，反映為不同的沖擊高度。不同沖擊高度的實驗結果列于表1中。實驗樣品均為2塊6毫米厚的夾層玻璃。　　　
　  為了了解表面缺陷的失效的影響，玻璃試樣表面在沖擊之前用50牛頓的載荷壓一個維氏壓痕，所能承受的沖擊能大大降低。這是由于玻璃對缺陷的敏感所致。壓痕可以在玻璃表面形成一個較深的裂紋，導致較大的應力集中，使強度和極限應變下降。這主要是由于玻璃的脆性和對缺陷的敏感性所導致。有壓痕和沒有壓痕的沖擊高度的實驗結果如圖8所示。

　　以上結果表面玻璃的破壞取決于最大應變。玻璃彎曲時的變形與斷裂過程用有限元模擬進行了彎曲梁分析，計算采用了15000個單元進行計算。失效過程由摩爾-庫侖失效準則控制。裂紋擴展被證明是有裂紋尖端的應變所控制。失效過程隨彎曲撓度增加的變化如圖9所示。　　　　　　　
　　有限元模擬結果表明破壞總是起源于最大應變處。它可以作為估計和分析失效的參考。同時也說明了沖擊阻力與安全玻璃的剛度成正比關系。如果假設玻璃的彈性模量處處相等，表面的局部強度和表面抵抗裂紋擴展能力可以用球壓法進行無損在線性能測試，即使用一個已知性能和幾何尺寸的硬質小球垂直壓在玻璃表面，當載荷達到一臨界值壓點處將產生一微小環形裂紋，因此局部強度可由該臨界載荷確定。采用我們自行研制的多功能臺式實驗機（圖10），對壓痕裂紋和裂紋在玻璃表面的擴展進行觀測，證明微裂紋是喇叭狀往深處擴展。化玻璃的局部強度比普通玻璃高出的部分正好相當于表面的預應力的值。

　  該研究說明了玻璃平板的沖擊破壞完全依賴與沖擊能的大小。只要沖擊能相同，沖擊接觸面積相同，導致的沖擊損傷就可能相同。因而我們提出一種設想，在相同的沖擊輪胎和相同的玻璃樣品的情況下，50千克重的擺頭從一米高度落下產生相同與25千克重的擺頭從兩米高落下相同的損傷效果。因為它們最后的動能是相同的。由此類推，更輕的擺頭在更高的速度沖擊樣品是否產生等效的沖擊效果？這個問題值得進一步研究。

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