中空钢化夹层玻璃的动态响应

2020-10-20张英杰刘姗姗李志强

高压物理学报 2020年5期

张英杰，姚芬，刘姗姗，韩阳，李志强,2,3

（1. 太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所，山西太原 030024；2. 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室，山西太原 030024；3. 力学国家级实验教学示范中心，山西太原 030024）

玻璃板材具有透明度高[1]、耐疲劳、抗风化性强等优点，然而作为典型的脆性材料，玻璃也具有易破碎的特点，随之而来的问题是：自然灾害和爆炸事故中往往伴随超强冲击波，由此产生的玻璃碎片[2]会对周围人员产生伤害[3]，因此建筑行业中玻璃幕墙的安全性受到格外关注。其中应用最广泛的是钢化玻璃，人们使用物理、化学方法对普通浮法玻璃进行钢化处理[4]，使其具有更高的抗拉和抗弯强度；在此基础上，又出现了能够隔音、隔热、遮挡自然光辐射的中空钢化玻璃[5]，具有不同夹层材料，如聚乙烯醇缩丁醛酯（PVB）、乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物（SGP）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚氨酯（PU）等[6]的钢化夹层玻璃[7]以及兼具二者加工工艺特点的中空钢化夹层玻璃[8]。

与此同时，玻璃抗冲击性能的研究也受到了国内外的广泛关注。安二峰等[9]通过使用分离式霍普金森杆对普通浮法玻璃和钢化玻璃进行了动态响应分析，探索了上述两种材料在动态冲击下的力学性能和破坏形态；刘永华等[10]对经过风冷处理的钢化玻璃进行了实验研究，讨论了玻璃的弹性模量、断裂韧性、抗弯强度和硬度对其自身性能的影响，同时明确了损伤容限和平均强度等安全参数；Mohagheghian 等[11]对夹层玻璃进行了高、低速冲击实验，研究了夹层厚度、聚合物类型和玻璃类型对玻璃结构性能的影响；Chen 等[12]开展了落锤冲击实验，用数值计算分析方法研究了夹层玻璃径向裂纹和环向裂纹的扩展；韩阳[13]研究了中空钢化玻璃和中空钢化夹层玻璃在刚体低速冲击载荷作用下的力学行为。

以上研究大多集中于小质量的冲击载荷，并且玻璃试样的尺寸普遍较小，玻璃结构类型比较单一，与现实生活当中使用的玻璃幕墙[14]有一定差距。本实验使用质量为18.01 kg 的刚性锤头，对边长为1 000 mm × 1 000 mm 的中空钢化夹层玻璃（其中部分试样为非对称结构的中空钢化夹层玻璃）进行冲击实验，对冲击过程中的冲击力、能量和应变等进行监测和分析，研究中空钢化夹层玻璃的损伤演化、断裂形态和抗冲击性能。

1 实验

1.1 实验材料

实验试样采用中空钢化夹层玻璃，由两块钢化夹层玻璃中间密封一定厚度的空气组成，如图1 所示。玻璃试样的边长尺寸为1 000 mm × 1 000 mm，单层玻璃有4 种厚度，分别为6、8、10 和12 mm，聚合物夹层材料为PVB，夹层厚度为1.52 mm，中间的空气层通过铝合金空心框实现，空气层厚度为6 mm，试样四周使用硅酮结构胶进行整体密封。

图1 中空钢化夹层玻璃示意图和实物Fig. 1 Schematic and picture of hollow tempered laminated glass

1.2 实验方案

按照玻璃的不同组合，设计了3 种实验方案，方案1、方案2、方案3 的结构配置分别如表1、表2、表3 所示，其中，dt为试样总厚度，d分别对应试样中玻璃、PVB 和空气层的厚度，ds为受冲击层玻璃的厚度。

方案1：控制每组玻璃样品的总厚度相同，紧贴空气层两侧的玻璃对称，外层玻璃包含对称和非对称结构，分析受冲击层玻璃厚度改变对中空钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响。

方案2：控制每组玻璃样品的总厚度不同，紧贴空气层两侧的玻璃对称，外层玻璃对称，分析受冲击层玻璃厚度改变对中空钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响。

方案3：控制每组玻璃样品的总厚度不同，紧贴空气层两侧的玻璃对称，外层玻璃对称，分析内层玻璃厚度改变对中空钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响。

表1 方案1 结构配置Table 1 Structure configuration of scheme 1

表2 方案2 结构配置Table 2 Structure configuration of scheme 2

表3 方案3 结构配置Table 3 Structure configuration of scheme 3

1.3 实验方法和计算公式

1.4 实验系统设计

落锤冲击实验系统包括DHR-9401 型落锤冲击试验机、应变仪、高速摄像机等部分。落锤冲击试验机的实验装置如图2 所示，该装置由刚性底座、锤头、落锤导轨和玻璃夹具4 部分组成。刚性底座位于试验机底部，完全水平，主要功能是支撑固定玻璃夹具以及接收玻璃碎片。锤头是撞击试样的部分，总质量为18.01 kg，其冲击头端部为半球体，半径为40 mm，所用材质为40Cr 钢。压电式力传感器通过铁圈固定在锤头颈部。落锤导轨竖直固定在水平地面上，其主要作用是为锤头提供运动轨道，保证锤头落在试样中心。自主设计的玻璃夹具如图3 所示，将玻璃试样夹持在两块钢板之间，上、下两块钢板使用40 条M16 螺栓进行固定。为了避免玻璃表面出现划痕或应力集中[17]，钢板与玻璃表面直接接触的位置均垫有橡胶垫，以此来模拟玻璃四周固支的边界条件。

图2 实验装置Fig. 2 Experimental device

图3 玻璃夹具Fig. 3 Glass clamp

实验采用单向应变片，考虑到玻璃产生裂纹或破碎后，应变片很容易撕裂损坏[18]，导致实验数据收集困难，为了尽可能保证所测应变数据的可靠性、准确性，将应变片贴在如图4 所示的位置，每个玻璃样品使用6 片应变片，其中3 片粘贴在受冲击面（编号为1、2、3），另外3 片粘贴在被冲击面（编号为4、5、6）。应变片与SDY2107B 型超动态应变仪通过桥盒连接，为了减少外部干扰，应变片和桥盒之间使用屏蔽线连接，实验数据最后传输到终端的WaveRunner604Zi 示波器。另外使用i-SPEED716 高速摄像机捕捉玻璃裂纹的扩展行为，由于帧率较高导致曝光时间较短，所以必须使用聚光灯补充光照。

图4 应变片分布位置（单位：mm）Fig. 4 Distribution of strain gauge（Unit: mm）

2 实验结果分析

2.1 裂纹形态分析

图5 所示为落锤从1 000 mm 的高度冲击玻璃试样D6 时，第2 层玻璃破裂产生的两种宏观裂纹形态——径向裂纹和环向裂纹。按照裂纹扩展的时间顺序选取图像序列，先是在以玻璃受冲击点为中心的位置出现小范围的细密放射状裂纹，如图5(a)所示；随着锤头继续向下运动，中心放射状裂纹范围扩大，裂纹加宽加深，此时可以明显观察到径向裂纹，如图5(b)所示；随着冲击力继续增大，中心位置的放射状裂纹继续向外扩展，玻璃四周出现了大量的径向裂纹，由于环向裂纹的产生与表面声波（“Rayleigh Wave”[19]）有关，且环向应力大于径向应力，所以此时可以看到稀疏的环向裂纹，如图5(c)所示；图5(d)和图6 为裂纹扩展演化的最终模态，可以看到径向裂纹从冲击点一直延伸到玻璃四周，以冲击点为圆心，在半径约为200 mm 的范围内有明显的连续环向裂纹，但是由于径向裂纹先于环向裂纹产生[20]而导致玻璃发生破裂，所以玻璃四周的环向裂纹是稀疏且不连续的。

图5 试样D6 裂纹扩展的高速摄影图Fig. 5 High-speed photogram of crack growth of sample D6

图6 试样D6 裂纹扩展的最终模态Fig. 6 Final mode of crack propagation of sample D6

2.2 方案1 实验结果分析

2.2.1 冲击力-时间曲线分析

第1 组和第2 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线如图7 所示。两组样品对应的冲击力-时间曲线从整体来看具有相同的变化趋势，锤头刚接触冲击面时，冲击力急剧增长直至出现第一个峰值，此时玻璃发生破裂，因PVB 夹层材料具有可压缩性，冲击力随之急剧下降。随着锤头因惯性继续向下运动，冲击力又随时间增加，此时第1、第2 层玻璃之间的PVB 层产生了较大的拉伸形变，冲击力上升至次峰值，随着玻璃裂纹的持续扩展，冲击力再次下降。最后锤头回弹并开始连续撞击，由于受到玻璃破裂产生的残余强度以及PVB 夹层材料的影响，裂纹继续扩展演化并达到最终模态。

第1 组试样D4(1)、D1、D4(2)对应的冲击力峰值分别为31.254、51.852 和64.488 kN，第2 组试样D8(1)、D7、D8(2)对应的冲击力峰值分别为52.196、73.359 和83.535 kN，表明冲击层玻璃越厚，中空钢化夹层玻璃的整体刚度越强，首次破碎所需的冲击载荷越大，即结构的抗冲击性能越好。2.2.2 能量-时间曲线分析

图7 第1 组和第2 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线Fig. 7 Impact force curves of the group 1 and group 2 glass samples at different times

第1 组和第2 组玻璃样品的能量-时间曲线如图8 所示。曲线峰值表示冲击能，冲击后曲线平稳部分的值定义为吸收能，冲击能与吸收能之差为弹性能[21]，该能量相当于落锤从冲击面回弹后玻璃传给落锤的反弹能量。吸收能与冲击能的比值定义为能量吸收率[22]，用于评估中空钢化夹层玻璃在撞击过程中的能量吸收效率。

图8 第1 组（a）和第2 组（b）玻璃样品的能量-时间曲线Fig. 8 Energy-time diagram of group 1 (a) and group 2 (b) glass samples

由图8 可知，第1 组试样D4(1)、D1、D4(2)对应的冲击能分别为0.089、0.133 和0.176 kJ，吸收能分别为0.017、0.033 和0.120 kJ，能量吸收率分别为19.101%、24.812%和68.820%；第2 组试样D8(1)、D7、D8(2)对应的冲击能分别为0.204、0.239 和0.302 kJ，吸收能分别为0.021、0.080 和0.208 kJ，能量吸收率分别为10.294%、33.473%和68.874%。这表明随着冲击层玻璃厚度的增加，试样破碎所需的冲击能增大，对应的能量吸收率也在增大。

2.2.3 应变-时间曲线分析

不同应变片所测试样D4(2)的应变-时间曲线如图9 所示。由图9(a)可知，1、2、3 号应变片所测的应变趋势大致相同。由于实验过程中无法完全消除外界磁场的干扰，所以在锤头刚接触玻璃表面的瞬间，会有少量曲线位于平衡位置以下[23]。随着锤头继续冲击玻璃试样，冲击波在玻璃的自由端面反射为拉伸波[24]，玻璃表面受到拉应力的作用，此时应变片表现为拉应变，当试样发生极限变形时，应变达到最大值。随后锤头开始回弹，冲击载荷逐渐减小，由于玻璃和具有黏弹性的PVB 相黏结，所以玻璃会随PVB 一起向上运动，拉应变会一直减小到零，当越过平衡位置时，玻璃表面承受压应力，应变片表现为压应变。4、5、6 号应变片所测的应变规律与1、2、3 号应变片大致相同，如图9(b)所示，但因4、5、6 号应变片贴在被冲击面，所以相应的应变峰值较小，且各峰值出现的时间较晚。由图9 可知，同一试样的应变趋势大致相同，为方便得出应变规律，本研究选择1 号应变片所测的应变数据进行比较，1 号应变片所测的第1 组和第2 组玻璃样品的应变-时间曲线如图10 所示。

图9 不同应变片所测试样D4(2)的应变-时间曲线Fig. 9 Strain-time diagram of sample D4 (2) measured by different strain gauges

图10 利用1 号应变片所测的第1 组（a）和第2 组（b）玻璃样品的应变-时间曲线Fig. 10 Strain-time diagram of group 1 (a) and group 2 (b) measured by strain gauge No.1

由图10 可知，第1 组试样D4(1)、D1、D4(2)的最大拉应变分别为3.185×10-4、3.910×10-4、5.511×10-4，第2 组试样D8(1)、D7、D8(2)的最大拉应变分别为4.885×10-4、5.107×10-4、5.208×10-4，表明最大拉应变越大，中空钢化夹层玻璃破裂后变形越大，回弹能力越强。

2.3 方案2 实验结果分析

2.3.1 冲击力-时间曲线分析

第3 组和第4 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线如图11 所示。由图11 可知：第3 组试样D1、D6、D10 的冲击力峰值分别为51.852、54.905 和73.278 kN；第4 组试样D2、D5、D7 的冲击力峰值分别为50.057、57.971 和73.359 kN。这表明随着最外层玻璃厚度的增加，对应冲击力-时间曲线的峰值依次升高，即试样破裂所需的冲击载荷越大，中空钢化夹层玻璃的承载能力越强。

图11 第3 组和第4 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线Fig. 11 Impact force curves of the group 3 and group 4 glass samples at different times

2.3.2 能量-时间曲线分析

第3 组和第4 组玻璃样品的能量-时间曲线如图12 所示。当试样发生破碎时，第3 组试样D1、D6、D10 对应的冲击能分别为0.133、0.159 和0.266 kJ，吸收能分别为0.033、0.048 和0.083 kJ，能量吸收率分别为24.812%、30.189%和31.203%；第4 组试样D2、D5、D7 对应的冲击能分别为0.124、0.142 和0.239 kJ，吸收能分别为0.031、0.045 和0.080 kJ，能量吸收率分别为25.081%、31.690%和33.473%。这表明随着受冲击层玻璃厚度的增加，试样破裂需要的冲击能越大，通过玻璃破裂和PVB 夹层变形吸收的能量也越多。

图12 第3 组(a)和第4 组(b)玻璃样品的能量-时间曲线Fig. 12 Energy-time diagram of group 3 (a) and group 4 (b) glass samples

2.3.3 应变-时间曲线分析

利用1 号应变片所测的第3 组和第4 组玻璃样品的应变-时间曲线如图13 所示。第3 组试样D1、D6、D10 的最大拉应变分别为3.910×10-4、4.310×10-4、4.492×10-4，第4 组试样D2、D5、D7 的最大拉应变分别为3.174×10-4、4.082×10-4、5.107×10-4，表明随着冲击层厚度的增加，中空钢化夹层玻璃破碎后对应的最大拉应变增大，其极限变形也在增大。

2.4 方案3 实验结果分析

2.4.1 冲击力-时间曲线分析

第5 组和第6 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线如图14 所示。第5 组试样D1、D5、D9 对应的冲击力峰值分别为51.852、57.971 和74.835 kN，第6 组试样D3、D6、D7 对应的冲击力峰值分别为46.033、54.905 和73.359 kN，表明内层玻璃越厚，试样破碎所需的冲击载荷越大，中空钢化夹层玻璃整体的性能随着内层玻璃厚度的增加而增强，即拥有更高的强度和硬度。

2.4.2 能量-时间曲线分析

第5 组和第6 组玻璃样品的能量-时间曲线如图15 所示。第5 组试样D1、D5、D9 破碎对应的冲击能分别为0.133、0.142 和0.159 kJ，吸收能分别为0.033、0.045 和0.051 kJ，能量吸收率分别为24.812%、31.690%和32.075%；第6 组试样D3、D6、D7 破碎对应的冲击能分别为0.089、0.159 和0.239 kJ，吸收能分别为0.014、0.048 和0.080 kJ，能量吸收率分别为15.730%、30.189%和33.473%，表明随着内层玻璃厚度的增加，冲击破碎中空钢化夹层玻璃所需的能量逐渐增大，对应的能量吸收率也在增大。

图14 第5 组和第6 组玻璃样品在不同时间段内的冲击力-时间曲线Fig. 14 Impact force curves of the group 5 and group 6 glass samples at different times

图15 第5 组(a)和第6 组(b)玻璃样品的能量-时间曲线Fig. 15 Energy-time diagram of group 5 (a) and group 6 (b) glass samples

2.4.3 应变-时间曲线分析

利用1 号应变片所测的第5 组和第6 组玻璃样品的应变-时间曲线如图16 所示。第5 组试样D1、D5、D9 对应的最大拉应变分别为3.910×10-4、4.082×10-4、4.350×10-4，第6 组试样D3、D6、D7 对应的最大拉应变分别为3.858×10-4、4.310×10-4、5.107×10-4，表明随着内层玻璃厚度的增加，最大拉应变呈增大趋势，在受冲击层玻璃厚度相同的前提下，试样的承载能力随内层玻璃厚度的增加而增强。