燃气爆炸荷载下玻璃的破坏研究综述

荣 超

(解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)



·建筑材料及应用·

燃气爆炸荷载下玻璃的破坏研究综述

荣 超

(解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)

结合玻璃的材料特性，综合论述了玻璃抗爆与燃气爆炸效应的研究现状，并探讨了玻璃抗燃气爆炸的发展方向，指出进行建筑玻璃在燃气爆炸荷载下的破坏研究是有必要的。

燃气爆炸，玻璃，荷载，抗爆性能

随着玻璃制造工艺和建筑设计理念的不断发展，玻璃材料越来越多地出现在人们的日常生活之中[1]。但是，玻璃是脆性材料，在受到爆炸冲击作用时，可能碎裂为尖锐的小碎片。这些碎片具有较高的飞散速度，会对人员生命财产造成严重的损害。从以往的爆炸事故来看，玻璃碎片造成的人员伤亡占很高的比例，飞散的玻璃碎片对附近的行人和建筑内的居民构成了严重的生命威胁。

2014年8月2日，江苏省昆山市中荣金属制品有限公司抛光车间发生了特别重大铝粉尘爆炸事故，造成人员伤亡，直接经济损失达3.5亿元。2014年8月1日，台湾高雄市陆续发生可燃气体外泄，并引发多次爆炸。由于能源结构的调整和燃气工业的发展，燃气越来越多地应用在生产生活之中，燃气爆炸事故也呈现频发态势。

当发生室内燃气爆炸时，门窗作为重要的泄压通道将会造成门窗玻璃破碎飞散，可能对建筑外部的人员造成严重的伤害。因此，对燃气爆炸荷载作用下的建筑玻璃的破坏进行研究，具有一定的创新性和非常重要的现实意义。

1 玻璃的材料性质

玻璃的材料性能不受方向决定，具有很好的各向同性，这是因为玻璃经过液体固化后形成，内部分子完全任意排列。在加工生产过程中，原材料经过加热熔融，形成粘稠状，然后冷却成型。一般用于建筑中的玻璃大多是钠钙硅酸盐玻璃，主要成分为SiO2。

平板玻璃的理论强度很高，但是实际强度要远远低于理论强度，抗拉强度甚至不到理论强度的1/100。这是因为玻璃的内部存在很多不平均和缺陷，表面也有很多微小的裂纹。

Xihong Zhang和Hong Hao等[2]对浮法玻璃的抗压性能进行了试验研究，选用厚度为15 mm、直径为15 mm的浮法玻璃材料作为试件。试件的密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.23。得到平均最大应力为256.13 MPa，应变的平均值为0.004，变化范围为10%左右，得到弹性压缩模量的平均值为66 GPa，变化范围为7%。玻璃试件的应力应变有近似线性的关系，最终达到极限破坏应力而发生脆性破坏。

李卫平[3]进行了巴西圆盘劈裂试验，对浮法玻璃的抗拉强度进行了研究。选用高度10 mm、直径20 mm的浮法玻璃试件，由于玻璃的抗拉强度要远远小于其抗压强度，所以玻璃试件会因拉应力而破坏。玻璃的抗拉应力远远小于抗压应力，最终的平均极限拉伸应力和应变分别为22.21 MPa和0.000 648。

2 玻璃抗爆研究现状

建筑玻璃的材料性能和结构设计对抗爆性能至关重要。建筑玻璃一般分为浮法玻璃、钢化玻璃和夹层玻璃。浮法玻璃的抗爆性能很差，容易破碎，并形成尖锐的碎片，对人员造成极大的伤害[4]。钢化玻璃的抗爆性能好于浮法玻璃，强度较高，不易破碎，即使破坏也会形成微小的颗粒，大大减小了玻璃碎片对人员的伤害。夹层玻璃破坏时，绝大多数碎片会被PVB胶层粘住，不会四处飞散，从而大大减小了对人员的伤害。所以，夹层玻璃具有较强的抗爆炸冲击性能和安全性能。

Krauthammer和Altenberg[5]对爆炸冲击波负压段对建筑玻璃面板破坏的影响进行了研究，在分析中将建筑玻璃板等效为单自由度体系，将空气冲击波正向段荷载简化为突加线性衰减荷载，并考虑了冲击波负压段荷载。结果表明，在不同情况下建筑玻璃板既可能被爆炸冲击波推入建筑物内，也可能朝着相反的方向脱离窗框。

Xihong Zhang和Hong Hao[6]对夹层玻璃的边界约束条件对抗爆性能的影响做了数值模拟研究和试验研究，发现玻璃在支撑边界的嵌入深度与窗框的尺寸的比值大小对破坏模式有较大的影响，在Hooper的试验中玻璃板在正压荷载作用下被推入窗框，而在Hong Hao的试验中玻璃在负压荷载作用下被拉出窗框，主要原因是前者的嵌入深度只有25 mm，而后者是50 mm。Hong Hao等还发现使用滑移约束可以减小玻璃在支撑边界破坏的概率。

葛杰和李国强等[7]对高应变率下玻璃板碎片尺寸的理论模型进行了研究，基于材料损伤理论和损伤断裂机理，对普通平板玻璃在高应变率下的损伤破碎规律进行了分析，推导了不同应变率下预测玻璃碎片大小的计算公式。

师燕超和李忠献等[8]分析了爆炸荷载作用下建筑玻璃的破碎，利用节点分离法和单元删除法对某现场爆炸试验中的玻璃板的破碎进行数值模拟，结果表明：随着爆炸比例距离的减小，生成的小碎片越多，抛射速度越大，相应的抛射距离越远，并且节点分离法在模拟玻璃小尺寸碎片方面更具优越性。

3 燃气爆炸效应研究现状

近年来燃气爆炸事故时有发生，严重危害居民生命安全。因此，可燃气体爆炸效应的影响因素和抑制措施已成为国内外防灾减灾领域学者关注的焦点。

Cooper和Fairweather等[9]对燃气泄爆状态下荷载的产生机理进行了较为详细的分析，研究表明：典型压力时程曲线存在四个峰值，其中第一个峰值与泄压强度有关，第四个峰值是声振不稳定燃烧的结果。

王宝兴和经建生等[10]分析了一起严重的厨房天然气爆炸事故，对原因进行了研究，指出事故原因是发生了声振不稳定燃烧压力峰，并且相应给出了减小厨房天然气爆炸危害度的几点建议。

郭文军等[11]使用静载进行数值模拟，研究了燃气爆炸荷载作用下混凝土板的裂缝开展过程，计算结果较好地反映了裂缝发展的真实情况。郭文军等[12]通过总结一些民用燃气爆炸事故的事例，对引起各种结构破坏的原因进行分类，提出了降低室内燃气爆炸对结构危害的一些防护举措。

4 结语

玻璃材料具有优越性能，因而广泛应用于建筑领域。但是玻璃是脆性材料，在受到爆炸冲击作用时极易发生破坏并形成高速飞散的碎片。这些碎片对人员的人身安全造成了严重威胁。

目前，国内外针对玻璃的抗爆研究主要集中在建筑玻璃承受外部炸药爆炸荷载方面，而对室内燃气爆炸缺乏必要的研究。燃气爆炸的荷载小，持续时间长，但是危害性依然很大。因此，进行建筑玻璃在燃气爆炸荷载下的破坏研究是很有必要的。

[1] 赵西安.建筑幕墙工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，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] 李卫平.动载作用下浮法玻璃力学性能的实验与数值模拟研究[D].南京：解放军理工大学，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，李国强，陈素文.高应变率加载下玻璃板碎片尺寸的理论模型[J].振动与冲击，2013,32(1):69-72.

[8] 师燕超，于海涛，李忠献.爆炸荷载作用下建筑玻璃的破碎分析[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，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] 王宝兴，经建生，王荣基.厨房发生严重天然气爆炸的可能原因[J].消防技术与科学,2007,26(6):702-703.

[11] 郭文军，江见鲸，崔京浩.燃气爆炸作用下板的的动力响应分析[A].第八届全国结构工程学术会议[C].1999.

[12] 郭文军，江见鲸，崔京浩.燃气爆炸作用下房屋裂缝开展的分形模拟[J].自然灾害学报,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

荣 超(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2016)16-0117-02

TU382

A