鋼化玻璃沖擊波毀傷效應測試結果分析*

鐘 巍,壽列楓,何 增,李偉昌,雷 鳴,劉 俊,田 宙,浦錫鋒,王仲琦

(1.西北核技術研究所,陜西 西安 710024; 2.湘潭大學材料科學與工程學院,湖南 湘潭 411105; 3.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081)

現代城市建筑中幕墻類結構(包括玻璃幕墻、陶瓷幕墻、金屬幕墻等)的使用率越來越高，玻璃幕墻結構在所有幕墻類結構中又最受青睞。玻璃幕墻裝飾作為一種融建筑技術、建筑功能，以及建筑藝術為一體的建筑外維護構件，是建筑物的高級裝修，在世界各國的高層標志性建筑中被廣為采用[1]。盡管玻璃幕墻有著上述諸多的優點，但面對目前世界各地恐怖主義爆炸襲擊和各種意外爆炸事件時有發生的情況[2-4]，玻璃幕墻在各種爆炸荷載下的抗爆性能直接影響著城市人員的人身安全，大量的實地調查及分析發現在各種爆炸事故中建筑玻璃破碎產生的碎片及爆炸沖擊波的沖擊是造成人員傷亡的主要原因[5]。近年來對玻璃幕墻抗爆性能的研究成為爆炸效應和建筑安全領域的研究熱點。例如，Zhang等[6]開展了較大的鋼化玻璃在受到爆炸沖擊波作用后產生的玻璃碎片特性的實驗研究，詳細地給出了實驗中玻璃碎片的尺寸分布、飛散速度等規律，他們在實驗研究中發現鋼化玻璃在受到爆炸沖擊作用產生的碎片中也會存在較鋒利的玻璃碎片，這些碎片在飛散過程中容易對人員或一些設施造成較嚴重的傷害。Zhang等[7]還針對多層安全玻璃受到爆炸沖擊波作用的問題開展了數值模擬研究，通過大量的數值模擬，給出了多層安全玻璃在受到沖擊波作用后重要參數的研究結果，并提出了預測玻璃毀傷超壓和沖量閾值的p-I曲線[7]。美國的Baker工程與風險研究機構在美國軍方的委托下開展了大量的沖擊波毀傷玻璃效應實驗，他們利用大型激波管產生沖擊波作用于鋼化玻璃，研究鋼化玻璃的響應情況，并通過與專業的玻璃響應研究理論分析軟件WINGARD進行對比，分析了不同種類玻璃在實驗室嚴格的安裝條件下的毀傷情況[8]。但這些研究大多是針對某種單一的玻璃或者采用便于實驗實施的玻璃安裝方式開展的偏學術性的研究，可供實際工程應用的規律性的研究結果還比較匱乏，因此，亟需開展更多玻璃種類和更多安裝方式的研究。為了研究不同厚度、不同種類(不帶夾層/帶PVB夾層)的鋼化玻璃，在不同安裝方式下的沖擊波毀傷效應，獲取毀傷閾值、毀傷規律和碎片分布規律，我們開展了一系列的鋼化玻璃沖擊波毀傷效應外場化爆實驗。本文將介紹系列實驗的全部沖擊波參數測試情況，包括沖擊波參數測試、測試結果的分析處理、沖擊波關鍵參數(正反射超壓、沖擊波到時、正壓作用時間、正反射沖量等)的實驗值及其與CONWEP計算結果的比較。此外，還將比較沖擊波正反射參數和負反射參數，分析毀傷鋼化玻璃的主要沖擊波參數，以期為后續鋼化玻璃沖擊波毀傷效應的研究提供基礎。

1 鋼化玻璃沖擊波毀傷效應實驗簡要介紹

歷時3年在不同的季節和天氣條件下共開展了3輪實驗。第1輪和第3輪實驗分別在冬季和夏季進行，天氣條件都非常理想，沒有起風，對沖擊波參數測試影響較小；第2輪實驗是在春季進行的，實驗現場有一定的風，這可能會對沖擊波參數測試造成一定的影響,這一點在本文后面的沖擊波測試參數分析中將會進一步說明。

實驗中使用的爆炸裝藥是按制藥標準灌制而成的柱形TNT裸藥，裝藥密度為1 640 kg/m3，分5 kg和10 kg兩種。為了保證爆心與鋼化玻璃正中心位于同一水平面，將TNT裝藥自由放置在高度與鋼化玻璃正中心相同的塑料方凳上。實驗中使用的鋼化玻璃均是按照《玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003》[9]加工制造的。各發次實驗使用的TNT裝藥及玻璃尺寸等具體信息如表1所示,W為TNT的質量，σc為玻璃的表面壓應力，l、w、h分別為玻璃的長度、寬度和厚度。本文中約定實驗序號“×-×-×”中第1個數字表示實驗輪次，第2個數字表示在當輪實驗中實驗的發次，第3個數字表示在整個系列實驗中的發次。

表1 實驗中使用的TNT裝藥和玻璃的基本信息Table 1 Basic information of the TNT charge and glass in each experiment

2 沖擊波參數實驗測試方法與CONWEP程序計算爆炸參數

為了確保通過實驗獲得的鋼化玻璃沖擊波毀傷閾值的準確性，需要對沖擊波實驗測試結果進行校驗，保證實驗中測試得到的沖擊波參數正確可靠。通過將實驗測試結果與CONWEP計算結果進行對比，驗證實驗測試結果的正確性。

2.1 實驗測試方法

實驗中安裝了PCB壓力傳感器用于測試沖擊波反射超壓時間歷程。PCB壓力傳感器的型號為LW27081，其安裝在玻璃安裝框架旁邊，位于同一平面的高強度防爆水泥墻面上，傳感器正面對著裝藥方向，如圖1所示，圖中所示的防爆水泥墻是按超高防爆性能的標準澆制的，其強度足夠保證沖擊波測試不會受到來自水泥墻的影響。同時，由上一節中TNT裝藥的安裝方式可知，TNT裝藥與PCB壓力傳感器之間存在一個較小的角度，將在后文中證明，這個角度對測試結果造成的誤差是可以接受的。

圖1 PCB壓力傳感器的安裝Fig.1 Installation of PCB pressure sensor

圖2 理想爆炸超壓時間歷程曲線及其三角形簡化模型Fig.2 The ideal explosion shock wave overpressure-time curve and the triangle simplification model

根據圖示簡化模型，可得爆炸超壓計算公式：

(1)

由圖2和式(1)易得簡化模型下正、負反射沖量的計算公式：

(2)

2.2 CONWEP程序計算爆炸參數

CONWEP是一款根據TM5-855-1[10]編寫的常規武器重要爆炸參數計算程序，可準確高效地計算各種爆炸荷載，包括TNT裝藥外場爆炸實驗。CONWEP程序計算結果的可靠性得到了爆炸力學領域的高度認可[11-13]，并且已經被內嵌到大型有限元軟件LS-DYNA中[14]。

本文中使用CONWEP程序計算得到了每一發實驗條件下的主要沖擊波參數，包括正反射超壓、沖擊波到時、正壓作用時間和正反射沖量等，并根據CONWEP程序保存的爆炸沖擊波超壓隨時間變化的數據文件繪制了正反射超壓時間歷程曲線。

2.3 用PCB壓力傳感器測量得到的結果作為鋼化玻璃上沖擊波參數合理性的證明

圖3 爆炸沖擊波傳播示意圖Fig.3 A diagram of the blast shock propagation

由于所選用的PCB壓力傳感器無法直接安裝在鋼化玻璃上，如前所述，將PCB壓力傳感器安裝在與玻璃處于同一豎直平面的水泥墻上。下面將證明，在工程誤差允許的范圍內，用實驗中采用的PCB壓力傳感器安裝方法得到的沖擊波參數測量結果作為鋼化玻璃上的沖擊波參數實驗結果是合理的。

實驗中TNT裝藥爆炸產生的爆炸沖擊波是一個球面波，圖3給出的是位置P處的TNT裝藥爆炸后產生的沖擊波傳播到鋼化玻璃及PCB壓力傳播器的示意圖。圖3中OP為爆心距，O為玻璃的中點，由于玻璃寬度為1.3 m，因此，OB和OC的長度均為0.65 m。實驗中測得AB的長度為0.13 m，因此OA的長度為0.78 m。顯然，當給定爆心距OP的值，由圖中幾何關系容易計算得到位置A、B、C處的爆心距。

于是，當知道TNT裝藥質量的情況下，可以用CONWEP程序計算得到O、A、B、C處的沖擊波參數，不同條件下的計算結果如表2所示，其中由于對稱關系，位置B和位置C的計算結果相同。

觀察表2發現，在不同的裝藥質量和不同的實驗爆心距(圖3中的OP)條件下，位置A、B、C處的沖擊波參數CONWEP計算結果與位置O處的結果相對誤差很小，完全在可以接受的誤差范圍之內,這里認為在工程上15%～20%的相對誤差是可以接受的。對于實驗爆心距為4.000 m的情況，由于只進行了一發TNT質量為5 kg的實驗，因此，表2中沒有給出TNT裝藥質量為10 kg時的CONWEP計算結果。

表2 位置O、A、B、C處的沖擊波參數計算結果Table 2 Calculation results of shock wave parameters for locations O, A, B and C

3 各發實驗沖擊波參數測試與CONWEP計算結果

3.1 沖擊波正反射參數實驗結果與CONWEP計算結果的比較

下面將沖擊波實驗測試結果與CONWEP計算結果進行比較。

3.1.1爆炸沖擊波正反射超壓時間歷程曲線比較

由于總的實驗發次較多(共進行了3輪合計32發實驗)，這里從每輪實驗中選取2發實驗，使用CONWEP程序計算各發實驗對應的TNT當量和爆心距條件下的爆炸沖擊波參數，并與實驗結果一起作正反射超壓時間歷程曲線比較，如圖4～6所示。

圖4 第1輪實驗正反射超壓時間歷程曲線與相應的CONWEP程序計算結果的比較Fig.4 Comparison of the normally reflected overpressure-time curves obtained in the first round experiments with the corresponding ones computed by CONWEP

圖5 第2輪實驗正反射超壓時間歷程曲線與相應的CONWEP程序計算結果的比較Fig.5 Comparison of the normally reflected overpressure-time curves obtained in the second round experiments with the corresponding ones computed by CONWEP

圖6 第3輪實驗正反射超壓時間歷程曲線與相應的CONWEP程序計算結果的比較Fig.6 Comparison of the normally reflected overpressure-time curves obtained in the third round experiments with the corresponding ones computed by CONWEP

3.1.2爆炸沖擊波正反射基本參數比較

表3～5詳細列出了3輪實驗中爆炸沖擊波正反射基本參數(包括正反射超壓、沖擊波到時、正壓作用時間和正反射沖量)實驗測試結果與CONWEP程序計算結果的比較。

表3中，第1-8-8發實驗測量數據與CONWEP程序計算結果誤差非常大，結合第1-5-5和第1-7-7發實驗可以判斷第1-8-8發實驗測量結果不準確。考慮到第1-5-5和第1-7-7發實驗的沖擊波參數已經非常接近，已達到工程上可以接受的誤差范圍，為了計算方便，根據“以直代曲”的思想，使用線性插值取第1-5-5和第1-7-7這2發實驗測量結果的平均值作為第1-8-8發實驗的測量結果修正值。從表中還可以發現，第1-14-14發實驗正反射沖量實驗測量結果與CONWEP程序計算結果誤差較大，考慮到該發實驗爆心距很小，實驗現場觀察表明玻璃在爆炸沖擊波作用下很快就破碎并往后飛散，即這種情況下對玻璃起毀傷作用的主要是正反射超壓，正反射沖量此時對玻璃的毀傷幾乎沒有影響。因此，對于表中第1-14-14發實驗正反射沖量實驗測量結果與CONWEP程序計算結果誤差較大這個現象可以忽略。另外，表中第1-2-2和第1-12-12發實驗條件完全相同，但第1-2-2發實驗的沖擊波參數測量結果與CONWEP程序計算結果之間的誤差明顯大于第1-12-12發實驗，我們認為第1-2-2發實驗的測量可能存在問題，這里取第1-12-12發實驗的測量結果作為該比例爆心距的實驗結果。

除上述3發實驗外，在不考慮正壓作用時間的情況下，表3中的結果表明實驗測量結果與CONWEP程序計算結果非常吻合。顯然，CONWEP程序計算結果表明其正反射沖量與正反射超壓和正壓作用時間不滿足式(2)，即CONWEP程序在處理正反射沖量時可能采用了其他的模型，而該模型對正壓作用時間的計算進行了修正，以保證正反射沖量計算的準確性。而本文對實驗數據中采用式(2)計算正反射沖量的結果與CONWEP程序結果計算的誤差很小，從研究沖擊波對鋼化玻璃毀傷效應的角度看，主要關心超壓和沖量的大小，關于這個結果將在本系列研究后續論文中給出證據，因此，可以忽略表3中正壓作用時間存在較大誤差這一現象。關于前面所提的“CONWEP程序可能采用了不同的模型來計算正反射沖量”這一點，我們正在進行更深入的分析研究，這里暫不贅述。

綜合表3～5和圖7～10的結果，可以認為沖擊波壓力測試結果與CONWEP程序計算結果是吻合的，即使用實驗測量得到的爆炸沖擊波參數進行鋼化玻璃沖擊波毀傷閾值研究是準確可靠的。

表3 第1輪實驗正反射沖擊波參數測試結果和CONWEP程序計算結果Table 3 Normally reflected blast parameters obtained in the first round experiments and the corresponding ones computed by CONWEP

表4 第2輪實驗正反射沖擊波參數測試結果和CONWEP程序計算結果Table 4 Normally reflected blast parameters obtained in the second round experiments and the corresponding ones computed by CONWEP

表5 第3輪實驗正反射沖擊波參數測試結果和CONWEP程序計算結果Table 5 Normally reflected blast parameters obtained in the third round experiments and the corresponding ones computed by CONWEP

圖7 正反射超壓隨比例爆心距的變化Fig.7 Normally reflected overpressure varying with scaled distance of blast

圖8 比例沖擊波到時隨比例爆心距的變化Fig.8 Scaled shock wave arrival time varying with scaled distance of blast

圖9 比例正壓作用時間隨比例爆心距的變化Fig.9 Scaled duration of normally reflected overpressure varying with scaled distance of blast

圖10 比例正反射沖量隨比例爆心距的變化Fig.10 Scaled normally reflected impulse varying with scaled distance of blast

圖11 正負反射超壓隨比例爆心距的變化Fig.11 Normally and negative reflected overpressures varying with scaled distance of blast

3.2 沖擊波正負反射參數測試結果對比

取實驗測量得到的沖擊波超壓時間歷程曲線上第1個波谷對應的超壓值作為負反射超壓峰值，負壓作用時間取該波谷對應的波脈沖的持續時間，然后按式(2)給出的公式估算負反射沖量。于是，利用實驗測量得到的爆炸沖擊波超壓時間歷程曲線(形如圖4～6)，估算得到3輪實驗的沖擊波負反射參數測試結果，如表6～8所示。

根據表3～8，容易作出沖擊波正負反射壓力測試結果隨比例爆心距的變化曲線，如圖11～13所示。從圖11～13可以看出，爆炸沖擊波正反射參數明顯高于負反射參數，更重要的是，在高速攝影中清楚地觀察到鋼化玻璃主要是在受到沖擊波正反射作用后產生毀傷的，因此，鋼化玻璃的破碎主要是受到爆炸沖擊波正反射的作用，與負反射的影響關系不大。同時，結合高速攝影還觀察到玻璃在破碎之后碎片的飛散情況，可能會受到沖擊波負反射的影響。因此，在后續研究鋼化玻璃沖擊波毀傷閾值的過程中，主要考慮沖擊波正反射，忽略沖擊波負反射的影響。

表6 第1輪實驗負反射沖擊波參數測試結果Table 6 Negative reflected blast parameters obtained in the first round experiments

表7 第2輪實驗負反射沖擊波參數測試結果Table 7 Negative reflected blast parameters obtained in the second round experiments

表8 第3輪實驗負反射沖擊波參數測試結果Table 8 Negative reflected blast parameters obtained in the third round experiments

圖12 比例正、負反射超壓作用時間 隨比例爆心距的變化Fig.12 Scaled duration of normally and negative reflected overpressures varying with scaled distance of blast

圖13 比例正、負反射沖量 隨比例爆心距的變化Fig.13 Scaled normally and negative reflected impulses varying with scaled distance of blast

4 結 論

通過對實驗中爆炸沖擊波參數測試結果的整理，得到了爆炸沖擊波基本參數(包括正反射超壓、沖擊波到時、正壓作用時間和正反射沖量等)的實驗結果。利用CONWEP程序對每一發實驗對應的TNT當量和爆心距進行爆炸沖擊波參數計算，將計算結果與實驗測量結果作比較，結果表明，實驗測量結果與CONWEP計算結果基本吻合，確保了實驗測試參數的準確可靠，為后續進行鋼化玻璃沖擊波毀傷閾值研究奠定了基礎。同時，正、負反射沖擊波參數對比結果表明，造成鋼化玻璃破碎的主要因素是沖擊波正反射，沖擊波負反射的作用可以忽略。