三 、玻璃断裂力学及玻璃结构(3)

复整体结构达到正常安全水平的要求。图3-9是德国的头顶玻璃剩余强度的试验照片，记录夹胶玻璃冲击破碎弯曲后，直至完全坠落掉下的间隔时间；三是结构承受疲劳荷载的情况下，裂纹扩展后的剩余强度能否承受规定的使用荷载。

图3-9

在疲劳荷载的作用下，构件的裂纹会逐渐扩展，当裂纹尺寸小于临界长度时，其断裂强度因子小于材料的断裂韧度，裂纹的扩展的速度是缓慢的，称为“亚临界扩展” ；当裂纹的尺寸扩展到临界长度时，其断裂强度的因子等于材料的断裂韧度，裂纹的扩展速度十分快(近似于声音的速度) ，构件突然发生断裂，称为“失稳扩展” 。现实裂纹的尺寸扩展到临界尺寸所需的时间为“剩余强度”时间，正常情况下要满足构件的寿命要求。

在飞机结构设计中，比较早的采用了“剩余强度” 设计概念，有效地保证的飞行安全，又降低了飞行器的重量和成本，实践和理论都证明这是一个符合实际的、科学的设计概念。

3.3.3.2玻璃结构的分级

按照“剩余强度” 概念，可以将玻璃结构分成不同安全级别的

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子结构：

一级结构(主结构) 该结构发生破环后，将使整个结构产生破坏；

二级结构(次结构) 该结构发生破坏后，只引起结构的局部破坏，不会引起整体的破坏；

三级结构(其它结构) 该结构发生破坏后，不影响整个构件的安全。

以荷兰的鹿特丹玻璃天桥为例：玻璃梁和玻璃地板为一级结构；两侧的玻璃墙为二级结构；上面的玻璃顶为三级结构。从剩余强度的概念来看，钢化玻璃比其它玻璃差，玻璃幕墙虽然经过耐风压、防止热龟裂及层间变位等设计，但玻璃是脆性材料，难免因为意外造成破损，尤其是在破碎状况下，更应防止玻璃飞散或从高处坠落而造成人身伤害，故最好采用防止飞散玻璃。钢化玻璃具有较高强度，而且碎片较小，难以伤害人体，是安全玻璃，但碎片容易飞散和坠落，一般不适用于玻璃幕墙。成都市闹市区盐市口相邻两工程玻璃幕墙的玻璃破裂为例：盐市口商场的点支承玻璃幕墙采用的是钢化玻璃，雨棚采用的是夹胶玻璃，但没有进行剩余强度试验和设计，大楼高层的钢化玻璃破碎，成堆碎片立即飞散坠落，砸烂了雨棚，砸伤了行人。

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图3-10

对于拉索式点支承玻璃幕墙采用离散结构的剩余强度要高一些，垂直荷载（自重）由承重索担负，水平荷载由承力索担负，这种离散结构在某一玻璃破裂之后，比较容易保持整体结构必要的残留稳定性。

3.3.3.3疲劳寿命估算

风荷载作用下玻璃结构的疲劳寿命，可按以下的推荐公式估算：

dadN＝C(ΔK)n ——— (8)

a—裂纹深度

N —疲劳荷载的循环次数 C —常数

ΔK—应力强度因子振幅 对点支承玻璃幕墙的玻璃结构建议：

C＝4310-11(mm2/N)2 n＝2

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ΔK＝2K1 根据(1)式， ΔK＝2K1＝2.2σ代入(8)式得：

dadNa

＝C(2.2σ

a) ≈ 5Caσ2

2

aCdaN?a0a??05C?2dN

上式积分得： N＝

15Cσ2?nac ———(9) a0N — 疲劳寿命的总循环次数 σ— 荷载设计值

aa0— 初始裂纹深度 — 临界裂纹深度

C根据(1) 、(2)两式得：

aC＝(

K1C2

) ——-(10) 1.1??32若：8mm厚钢化玻璃的K1c＝5.53105Nm

σ＝50N/mm2 ＝503106N/m2 将上述的数值代入(10)式得 ：

a得：

C＝ (5.5310 Nm2/1.13503106Nm-2)2＝100μm

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?3将a＝100μm C＝4310-11(mm2N-1)2 σ＝50N/mm2 代入(9) 式

CN＝23106 3?n100a ————(11)

0若风荷载每年的循环次数为33104 ，则其疲劳寿命Y为： Y=N/(33104) 年，将不同的a0代入(11) 式得到不同的N ，从而得到不同

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的Y如下：

a0?5.μm N≈6310 次 Y≈200年

6

6

a0?10μm N≈4.6310 次 Y≈153年 a0?20μm N≈3.2310 次 Y≈106年 a0?50μm N≈1.4310 次 Y≈46年 a0?80μm N≈0.45310 次 Y≈15年 a0?100μm N≈0310 次 Y≈0年

从上面的估算可看出初始裂纹的深度对寿命的影响很大。 例一：点支承玻璃幕墙：采用8mm的钢化玻璃，孔边应力设计值为σ＝52N/mm2 。

甲公司为普通钻孔工艺，其孔边裂纹深度最大为0.1mm； 乙公司采用电脑自动拓孔工艺，钻孔和磨孔一气呵成，在玻璃上、下两边同时进行，其孔边的裂纹深度最大为0.05mm，但每平方米加工价格，乙公司比甲公司多100元。 选哪家公司中标？

解：甲、乙两公司都是选用同一厂家、同一规格的玻璃，仅仅是打孔的工艺不同，打孔以后的钢化工艺也是完全相同的，从现有的观念来判断，孔边应力设计值小于钢化玻璃边缘强度设计值：σ＝52N/mm2＜58.8N/mm2 ，两家公司的玻璃都是安全的，但甲公司的价格比乙公司便宜，选甲公司中标。

点支承玻璃幕墙的破坏往往是从玻璃的孔边产生，既然玻璃孔边实际存在有裂纹，必须用断裂力学的观念来考察玻璃孔边的断裂强

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