近年來，作為
安全玻璃，層狀
玻璃和剛化玻璃廣泛用于工業(yè)和
民用建筑上。安全玻璃的
抗沖擊性能是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的安全性能的重要指標(biāo)。英國和我國都相繼采用雙輪胎擺式?jīng)_擊大塊玻璃的沖擊實(shí)驗(yàn)來測試
建筑安全玻璃的
可靠性。通過這種沖擊實(shí)驗(yàn)，可以研究玻璃
構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與分析
安全玻璃實(shí)驗(yàn)樣品
固定后的框內(nèi)寬度為847±5mm高度為 1910±5mm，層合玻璃的厚度結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(yīng)變是影響
沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)表明，對于在沖擊實(shí)驗(yàn)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(fā)展所引起。從原理上來看，失效是應(yīng)變控制，而應(yīng)變是撓度控制，這種連鎖關(guān)系（如圖3）所示。而撓度又可以通過沖擊高度來估計(jì)（如圖4）。最大
應(yīng)力與撓度之間具有線性關(guān)系，見圖5。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1中。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，使
強(qiáng)度和極限應(yīng)變下降。這主要是由于玻璃的
脆性和對缺陷的敏感性所導(dǎo)致。有壓痕和沒有壓痕的沖擊高度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
以上結(jié)果表面玻璃的破壞取決于最大應(yīng)變。玻璃
彎曲時的
變形與
斷裂過程用
有限元模擬進(jìn)行了彎曲梁分析，計(jì)算采用了15000個單元進(jìn)行計(jì)算。失效過程由摩爾-庫侖失效準(zhǔn)則控制。裂紋擴(kuò)展被證明是有裂紋尖端的應(yīng)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(jié)果表明破壞總是起源于最大應(yīng)變處。它可以作為估計(jì)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(guān)系。如果假設(shè)玻璃的
彈性模量處處相等，表面的局部強(qiáng)度和表面抵抗裂紋擴(kuò)展能力可以用球壓法進(jìn)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(zhì)小球垂直壓在玻璃表面，當(dāng)載荷達(dá)到一臨界值壓點(diǎn)處將產(chǎn)生一微小環(huán)形裂紋，因此局部強(qiáng)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(shí)驗(yàn)機(jī)（圖10），對壓痕裂紋和裂紋在玻璃表面的擴(kuò)展進(jìn)行觀測，證明微裂紋是喇叭狀往深處擴(kuò)展。化玻璃的局部強(qiáng)度比普通玻璃高出的部分正好相當(dāng)于表面的
預(yù)應(yīng)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(dǎo)致的沖擊損傷就可能相同。因而我們提出一種設(shè)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(chǎn)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?yàn)樗鼈冏詈蟮膭幽苁窍嗤摹Ｓ纱祟愅疲p的擺頭在更高的速度沖擊樣品是否產(chǎn)生等效的沖擊效果？這個問題值得進(jìn)一步研究。
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