爆炸載荷下中空鋼化夾層玻璃的動態響應

牛歡歡，張英杰，李志強,2,3

（1. 太原理工大學機械與運載工程學院應用力學研究所，山西 太原 030024；2. 太原理工大學材料強度與結構沖擊山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3. 太原理工大學力學國家級實驗教學示范中心，山西 太原 030024）

玻璃板材作為一種常見的建筑材料，可以滿足實用性與美觀性雙重功能，因此被廣泛覆蓋于大型建筑物的外墻[1]。然而隨之而來的問題是，一旦遭遇重大自然災害或者發生爆炸事故，玻璃作為典型的脆性材料[2]，極易發生破碎，高速飛濺的碎片[3]會造成不必要的人員傷亡和經濟損失[4]，因而人們對其力學性能的研究相當重視。Osnes 等[5]采用有限元軟件結合高階動態顯示和三維節點分裂的方法模擬了夾層玻璃在爆炸加載條件下的破碎過程，并且在激波管中對PVB 夾層玻璃進行了爆炸實驗，分析了裂紋產生的時間和位置，并將實驗結果與模擬結果進行了對比；Wang 等[6]利用剛性落錘對雙層、3 層聚乙烯醇縮丁醛（PVB）夾層玻璃進行了連續沖擊實驗，從沖擊能量、沖擊力峰值和應變方面分析了夾層玻璃的斷裂形態和抗沖擊性能；Li 等[7]根據熱傳導方程和邊界條件，利用有限元軟件對中空玻璃的熱應力進行了數值模擬研究，通過在結構上直接定義溫度載荷來分析中空玻璃的熱應力，實驗結果為工程設計提供了一定的參考；史博等[8]使用LS-DYNA 軟件，運用ALE（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）算法模擬了中空鋼化夾層玻璃在爆炸荷載下的動態響應，分析了改變PVB 膠層的性質和空氣層厚度對玻璃板最大撓度的影響。

前期的研究大多側重于浮法玻璃[9]、中空玻璃[10]、夾層玻璃[11]的力學性能實驗，不僅試樣類型單一，而且結構尺寸普遍較小。本研究通過對面內尺寸分別為300 mm × 300 mm 和1 000 mm × 1 000 mm的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸沖擊實驗，利用沖擊擺系統計算實驗沖量，描述玻璃的裂紋和破碎形態，分析PVB 膠層厚度[12]、中間空氣層厚度[13]、炸藥量[14]和爆炸距離[15]對中空鋼化夾層玻璃抗爆性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗試樣

圖1 所示為爆炸實驗采用的中空鋼化夾層玻璃。其中，兩種鋼化玻璃的單層厚度均為6 mm；面內尺寸分別為300 mm × 300 mm 和1 000 mm × 1 000 mm；試樣空氣層厚度分別為6、8、10、12 mm；PVB[16]膠層厚度分別為0.45、0.76、1.14、1.52 mm。分別按照PVB 厚度、空氣層厚度、炸藥用量及爆炸距離的不同將試樣分為4 組，試樣的詳細構造如表1 所示，其中：G1、G2、G3、G4分別代表4 層鋼化玻璃，A 代表空氣，PVB1、PVB2代表不同的膠層，W為炸藥用量，L為炸藥爆炸距離。

圖1 中空鋼化夾層玻璃Fig. 1 Hollow tempered laminated glass

表1 試樣分組Table 1 Groups of the specimens

1.2 實驗裝置

圖2 為300 mm × 300 mm 中空鋼化夾層玻璃的爆炸實驗裝置，該裝置包括爆炸系統、彈道沖擊擺系統和測試系統3 部分[17]。爆炸系統主要由球形乳化炸藥、瞬發電雷管、起爆裝置組成；彈道沖擊擺系統包括長工字梁、玻璃夾持板、平衡配重；測試系統主要由激光位移傳感器、SDY2107B 型應變儀、WaveRunner604Zi 示波器組成。如圖2 所示，利用4 條鋼絞線將1.2 m 的工字梁懸掛起來，使用螺栓將中空鋼化夾層玻璃固定在兩塊夾持板之間，然后在工字梁末端增加平衡配重，使彈道沖擊擺系統保持水平[18]。球形乳化炸藥固定在試樣正前方，要求炸藥球心、試樣中心與雷管保持在同一水平線上。由于面內尺寸為1 000 mm × 1 000 mm 的中空鋼化夾層玻璃質量較大，無法利用該彈道沖擊擺系統測量沖量，因而設計了如圖3 所示的固定承載裝置。當中空鋼化夾層玻璃安裝固定好以后，規定距離炸藥最近一側的玻璃為外層玻璃，距離炸藥最遠一側的玻璃為內層玻璃[19]。

圖2 彈道沖擊擺系統Fig. 2 Ballistic impact pendulum system

圖3 大尺寸玻璃的固定承載裝置Fig. 3 Fixed bearing device for large-size glass

1.3 沖量的測量及計算

如圖4 所示，利用激光位移傳感器和示波器記錄爆炸過程中試樣的位移-時間曲線，經式(1)計算出試樣受到的沖量[20]

圖4 沖擊擺位移-時間曲線Fig. 4 Displacement-time curve of impact pendulum

式中：M為沖擊擺系統的總質量，M=163.71 kg；T為擺動周期，經實驗測試可得T=3.3 s；X1、X2分別為t=T/4 和t=3T/4 時的位移。

2 實驗結果分析

2.1 PVB 膠層厚度的影響

PVB 膠層作為中空鋼化夾層玻璃的重要組成部分，是一種超彈性材料[21]，當玻璃發生破碎后，玻璃碎片仍可與PVB 膠層黏結，使得整體結構可以繼續承受一定的沖擊載荷，因而不同PVB 膠層厚度對中空鋼化夾層玻璃的抗爆性能有著直接影響。對面內尺寸為300 mm × 300 mm、PVB 膠層厚度分別為0.45、0.76、1.14、1.52 mm 且中間空氣層厚度為6 mm 的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸沖擊實驗，實驗條件為炸藥量45 g，爆炸距離100 mm，實驗沖量29.42 N·s。圖5 為各試樣的最終模態。

由圖5 和圖6 可知：PVB 膠層厚度為0.45 mm 的中空鋼化夾層玻璃整體破壞最嚴重，外層玻璃由于受到爆炸沖擊波的拉伸作用發生大面積脫落；靠近中間空氣層的玻璃，其中心沖擊部位發生小面積的脫落，玻璃碎片落入中間空氣層的空腔內；內層玻璃產生明顯的徑向、環向裂紋。對于PVB 膠層厚度為0.76 mm 的中空鋼化夾層玻璃：其外層玻璃破壞區域較大，固支邊界周圍的玻璃發生脫落，中心區域的玻璃仍與PVB 膠層黏結；靠近空氣層的玻璃并沒有發生脫落，僅有裂紋產生；內層玻璃結構完整。實驗結束后，PVB 膠層厚度為1.14 mm 的中空鋼化夾層玻璃沒有發生碎片脫落，外層玻璃與鋼板的接觸部位有輕微的磨損，外層玻璃和次外層玻璃布滿裂紋，其余玻璃沒有發生破損。PVB 膠層厚度為1.52 mm 的中空鋼化夾層玻璃的整體結構最完整，僅外層玻璃產生了不規則的魚鱗狀裂紋以及環向裂紋，其余的玻璃均保存完好，無裂紋產生。

圖5 不同PVB 膠層厚度試樣的最終模態（300 mm × 300 mm）Fig. 5 Final modal of samples with different PVB layer thicknesses (300 mm × 300 mm)

圖6 不同PVB 膠層厚度試樣內側中心區域的局部放大照片Fig. 6 Enlarged views of inner center areas of samples with different thickness of PVB adhesive layer

對面內尺寸為1 000 mm × 1 000 mm、PVB 膠層厚度分別為0.76、1.14、1.52 mm 且中間空氣層厚度為6 mm 的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸沖擊實驗。實驗首先在炸藥量為45 g、爆炸距離為100 mm 的條件下進行，但實驗結束后發現中空鋼化夾層玻璃并沒有產生明顯現象，因而實驗條件更換為炸藥量120 g，爆炸距離100 mm。表2 為不同PVB 膠層厚度試樣的凹陷深度和圓形脫離區域的范圍，其中：h為凹陷深度，D為圓形區域的直徑。圖7 為各試樣的最終模態。

表2 不同PVB 膠層厚度試樣的凹陷深度和圓形脫離區域的范圍Table 2 Depression depth and circular detachment areas of samples with different PVB adhesive layer thicknesses

圖7 不同PVB 膠層厚度試樣的最終模態（1 000 mm × 1 000 mm）Fig. 7 Final modal of samples with different PVB layer thicknesses (1 000 mm × 1 000 mm)

由表2 和圖7 可知，大尺寸的中空鋼化夾層玻璃在爆炸沖擊波影響下都發生了不同程度的破損，整體結構均向內側凹陷，PVB 膠層厚度為0.76、1.14 和1.52 mm 的中空鋼化夾層玻璃的凹陷深度分別為53.4、42.7 和31.5 mm，放射狀裂紋布滿各層玻璃，且環形裂紋沿著中心破損部位一直擴散到玻璃四周。其中，外層玻璃的破損情況最嚴重，中心部位的玻璃呈圓形脫落，隨著PVB 膠層厚度的增加，圓形破損區域的范圍呈減小趨勢，破損區域直徑分別為178.2、143.7 和127.6 mm。玻璃脫落后使得一部分PVB 膠層暴露在環境中，膠層發生了輕微的撕裂和塑性變形。靠近中間空氣層的玻璃由于PVB 膠層的失效，其中心沖擊部位的玻璃也發生了脫落，但破損程度小于外層玻璃，玻璃碎片直接以“山峰”的形式堆落在中間空氣層的空腔內。內層玻璃的受損范圍最小，中心沖擊部位的玻璃并未完全脫落，仍有部分玻璃碎渣附著于PVB 膠層上。

2.2 不同空氣層厚度的影響

中空鋼化夾層玻璃的中間空氣層可以隔音、隔熱、遮擋自然光輻射[22]，而且即使發生破碎，玻璃碎片也可以落入中間空氣層的空腔內，大幅度提高了中空鋼化夾層玻璃的安全性能，因此，作為中空鋼化夾層玻璃的重要組成部分，不同的空氣層厚度同樣對中空鋼化夾層玻璃的抗爆性能有著直接影響。

對面內尺寸為300 mm × 300 mm、中間空氣層厚度分別為6、8、10、12 mm 且PVB 層厚度為1.14 mm的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸沖擊實驗，炸藥量為45 g，爆炸距離100 mm，實驗沖量為29.42 N·s。圖8為各試樣的最終模態，圖9 為不同空氣層厚度試樣內側中心區域局部放大圖像。

圖8 不同空氣層厚度試樣的最終模態（300 mm × 300 mm）Fig. 8 Final modal of samples with different air layer thicknesses (300 mm × 300 mm)

圖9 不同空氣層厚度試樣內側中心區域的局部放大圖像Fig. 9 Enlarged views of inner center areas of samples with different air layer thicknesses

由圖8 和圖9 可知，中間空氣層厚度為6 mm 的中空鋼化夾層玻璃沒有發生碎片脫落，外層及次外層玻璃布滿了不規則的魚鱗狀裂紋，其余玻璃均未產生明顯破壞。實驗結束后，中間空氣層厚度為8 mm的中空鋼化夾層玻璃的外層玻璃發生脫落，次外層玻璃在中心沖擊部位發生少量脫落，其余各層玻璃結構完整，僅產生不同程度的徑向和環向裂紋。對于中間空氣層厚度為10 mm 的中空鋼化夾層玻璃：結構并沒有發生塑性變形，其外層玻璃破壞區域較大，固支邊界周圍的玻璃與PVB 膠層黏結；靠近中間空氣層的玻璃，其中心部位有少量玻璃發生脫落；內層玻璃產生放射狀以及環向裂紋。中間空氣層厚度為12 mm 的中空鋼化夾層玻璃整體破壞最嚴重，結構整體向內側產生塑性變形，塑性位移約為29.7 mm。外層玻璃除了與鋼板的接觸部位外幾乎全部脫落，PVB 膠層暴露在外環境中；緊貼中間空氣層的兩塊玻璃，其中心沖擊部位也發生了不同程度的脫落，玻璃碎片堆落在中間空氣層的空腔內；內層玻璃有明顯的“凸起”，但仍與PVB 膠層黏結，并且有細密的放射狀裂紋。

對面內尺寸為1 000 mm × 1 000 mm，中間空氣層厚度分別為6、8、10 mm 且PVB 膠層厚度為1.14 mm的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸沖擊實驗，炸藥量為120 g，爆炸距離100 mm。圖10 為各試樣的最終模態。

由圖10 和表3 可知，大尺寸的中空鋼化夾層玻璃在實驗結束后整體結構均向內側發生塑性變形，對于中間空氣層厚度分別為6、8 和10 mm 的中空鋼化夾層玻璃，其塑性位移（凹陷深度）分別為38.3、46.6 和57.8 mm。內、外層兩塊玻璃上的徑向裂紋較明顯，從炸藥對應的中心沖擊部位一直輻射到四周，環向裂紋沿著圓形破損區域向外擴散。其中，外層玻璃的破損程度最嚴重，隨著中間空氣層厚度的增加，圓形破損區域呈增大趨勢，破損區域直徑分別為143.7、157.8 和162.3 mm。暴露在外環境中的PVB 膠層發生失效，有明顯的撕裂和破壞現象。對于靠近中間空氣層的玻璃，其中心部位的玻璃也發生了脫落，但破損程度小于外層玻璃，玻璃碎片直接堆落在中間空氣層的空腔內。內層玻璃的受損范圍最小，中心沖擊部位的玻璃仍有部分玻璃碎片黏于PVB 膠層上。

圖10 不同空氣層厚度試樣的最終模態（1 000 mm × 1 000 mm）Fig. 10 Final modal of samples with different air layer thicknesses (1 000 mm × 1 000 mm)

表3 不同空氣厚度試樣的凹陷深度和圓形脫落區域的范圍Table 3 Depths of depression and the ranges of circular shedding areas of samples with different air thicknesses

2.3 炸藥量的影響

圖11 為爆炸沖擊波的壓力-時間曲線[23]，其中：tA為波前時間，t+、t?分別為正壓和負壓的作用時間，Δp+、Δp?分別為爆炸沖擊波壓力相對于標準大氣壓的變化量。爆炸沖擊波對物體的拉伸、壓縮破壞效應，主要取決于正壓階段的沖擊作用，因而正壓力峰值、正壓作用時間以及正壓的沖量是影響試樣動態響應的重要因素，而決定這些因素的是炸藥量和爆炸距離[24]。

圖11 爆炸沖擊波的壓力-時間曲線[23]Fig. 11 Pressure-time curve of explosion shock wave[23]

本節研究乳化炸藥量[25]對中空鋼化夾層玻璃抗爆性能的影響，在爆炸距離為100 mm，炸藥量分別為40、45、50 g 條件下，對面內尺寸為300 mm × 300 mm、中間空氣層厚度為6 mm、PVB 膠層厚度為0.76 mm 的中空鋼化夾層玻璃進行了爆炸實驗。

如圖12 和圖13 所示，在保持爆炸距離一定的前提下，隨著炸藥量的增加，中空鋼化夾層玻璃的破壞程度逐漸增大。當爆炸距離為100 mm、炸藥量為40 g，即實驗沖量[26]為25.26 N·s 時，試樣的破壞程度最小，外層玻璃在中心沖擊部位發生部分脫落，破壞區域呈直徑為123.6 mm 的圓形且脫落深度約為4.2 mm，PVB 膠層沒有暴露在外環境中，其余各層玻璃均保存完好，并未產生裂紋。當炸藥量為45 g，即實驗沖量為29.42 N·s 時，中空鋼化夾層玻璃的外層玻璃破壞區域較大，固支邊界周圍的玻璃發生脫落，但中心區域的玻璃仍與PVB 膠層黏結，次外層玻璃僅產生徑向和環向裂紋[27]，剩余的玻璃保存完好，均未產生明顯破壞。當炸藥量為50 g，即實驗沖量為33.29 N·s 時，中空鋼化夾層玻璃發生嚴重破壞，結構整體向內側凹陷，凹陷深度為4.87 mm，外層玻璃發生大面積脫落，固支邊界周圍殘留部分玻璃，但已脫膠失去保護作用；靠近中間空氣層的兩塊玻璃在中心沖擊部位有少量玻璃脫落，脫落的玻璃碎渣直接落入中間空氣層的空腔內；內層玻璃在“凸起”邊緣發生撕裂，部分PVB 膠層暴露在外環境中。

圖12 不同炸藥量下試樣的最終模態Fig. 12 Final modal of samples with different explosive mass

圖13 不同炸藥量下試樣內側中心區域的局部放大圖像Fig. 13 Enlarged views of inner center areas of samples with different explosive mass

2.4 爆炸距離的影響

本節以爆炸距離為變量研究中空鋼化夾層玻璃在爆炸載荷[28]下的動態破壞過程，在炸藥量為40 g，爆炸距離分別為50、80、120 mm 的條件下，對面內尺寸為300 mm × 300 mm、中間空氣層厚度為6 mm且PVB 層厚度為1.14 mm 的中空鋼化夾層玻璃進行爆炸實驗。

如圖14 和圖15 所示，保持炸藥量一定的前提下，隨著爆炸距離的增加，中空鋼化夾層玻璃的破壞程度逐漸減小。在炸藥量為40 g、爆炸距離為50 mm、實驗沖量為39.38 N·s 的條件下，由于爆炸沖擊載荷較大，因此試樣無法抵抗強烈的沖擊波作用而發生嚴重破壞，整體結構向內側凹陷40.2 mm，外層玻璃幾乎全部脫落，僅固支邊界處的玻璃與PVB 膠層黏結；靠近中間空氣層的兩塊玻璃也發生了不同程度的破損，玻璃碎渣落在空氣層的空腔內；內層玻璃的中心沖擊部位也有少量玻璃發生脫落。當爆炸距離為80 mm，即實驗沖量為30.43 N·s 時，整體結構向內側發生塑性變形，塑性位移[29]約為38.1 mm，中空鋼化夾層玻璃的外層玻璃破壞區域較大，圓形破壞區域的直徑約為52.5 mm，徑向裂紋和環向裂紋布滿玻璃面板；靠近中間空氣層的兩塊玻璃也有一定程度的破損；內層玻璃僅產生徑向、環向裂紋，結構沒有發生脫落。當爆炸距離為120 mm、實驗沖量為18.36 N·s 時，中空鋼化夾層玻璃的破壞程度最小，外層玻璃在固支邊界周圍發生小范圍的脫落，大部分玻璃仍與PVB 膠層黏結；次外層玻璃有明顯的徑向、環向裂紋；剩余玻璃均無明顯破壞現象，結構保存完好。

圖14 不同爆炸距離下試樣的最終模態Fig. 14 Final modal of samples with different explosion distances

圖15 不同爆炸距離下試樣內側中心部分的局部放大圖像Fig. 15 Enlarged views of inner center area of samples with different explosion distances

3 結 論

中空鋼化夾層玻璃作為建筑的承載結構，其PVB 膠層厚度和中間空氣層厚度對結構整體的抗爆性能有很大影響。對于面內尺寸分別為300 mm × 300 mm 和1 000 mm × 1 000 mm 的中空鋼化夾層玻璃：在中間空氣層厚度相同的前提下，隨著PVB 膠層厚度的增加，試樣整體的結構強度增大，抗爆性能逐漸增強；在PVB 膠層厚度相同的前提下，隨著中間空氣層厚度的增加，結構整體的穩定性降低，爆炸結束后發生的塑性位移增大，結構的破壞程度增大。

根據爆炸超壓的壓力時程曲線可知，炸藥量和爆炸距離是控制超壓的決定性因素，因而改變炸藥量和爆炸距離對中空鋼化夾層玻璃的抗沖擊性能有很大影響。保持爆炸距離不變，改變炸藥量，隨著炸藥量的增加，中空鋼化夾層玻璃的破壞程度[30-32]逐漸增大，整體向內側凹陷的位移越大；保持炸藥量不變，改變爆炸距離，隨著爆炸距離的增加，試樣外層玻璃的中心破壞區域減小，落入空氣內腔的玻璃碎渣也減少。