玻璃幕墙癌症-钢化玻璃自爆(修订版系列二)

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　　5.5玻璃的统计力学强度
　　玻璃的断裂强度离散性大，强度的测定与测试条件如加载方式、加载速率、持续时间等密切相关。很多国家往往采用统计分析方法推断出玻璃强度的估算公式，通常将几百片玻璃破坏的试验结果进行统计处理，求出平均值和标准差，推断玻璃的力学强度，给出设计安全系数与失效关系如下：

　　安全系数 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.3
　　失效概率 50% 9% 1% 0.1% 0.01% 0.003%

　　六 玻璃断裂力学-线弹性断裂力学
　　6.1在传统的强度计算中，构件看成不带裂纹的连续体，并以工作应力和许用应力或以应力设计值和材料强度设计值相比较来判断构件的强度，实践证明对一般结构，这种传统的方法是可靠的，但对象玻璃这样的脆性材料，可靠性是不够的，研究玻璃结构的安全使用问题，必须从玻璃材料不可避免地存在裂纹这一客观的事实出发，即既要考虑裂纹应力集中的效应，又要考虑玻璃材料的断裂韧性，早在二十世纪二十年代，格里菲思(Griffith) 对玻璃低应力脆断的理论分析，提出了玻璃的实际强度取决于裂纹扩展应力的著名论点，创立了玻璃断裂力学，即线弹性断裂力学。随后发展的弹塑性（词条“塑性”由行业大百科提供）断裂力学在导弹、飞机、原子能、桥梁、大型锻焊件等结构得了成功的应用，显示了断裂力学强大的生命力。


　　6.2 研究裂纹尖端附近的应力、位移以及裂纹扩展规律的力学，称为断裂力学。玻璃构件的断裂是由于其中存在裂纹并在一定应力水平下扩展而导致的。在发生脆性断裂前，除了裂纹端部附近的很小范围外，材料均处于弹性状态，可按线弹性理论来分析应力和变形，称之为“线弹性断裂力学” 。二十世纪五十年代，采用复变函数分析方法，对裂纹端部的应力与变形进行研究，发现应力场的水平只与参数K1 (张开型裂纹) 有关，称此为应力强度因子。玻璃结构一般为有限宽度的薄板，表面裂纹呈非贯穿性，按照断裂力学的分析方法，笔者推荐玻璃结构K1 的估算式为：


　　K₁=1.1×σn×a^1/2 ----------- (1)
　　σn 裂纹所在平面（词条“平面”由行业大百科提供）上净截面的平均应力
　　a 表面裂纹深度
　　K₁应力强度因子

　　6.3 断裂韧度及断裂判据。

　　断裂力学的试验表明：对于一定厚度的玻璃，当应力强度因子达到某一临界值，裂纹即迅速扩展(称为失稳扩展)而导致玻璃结构脆性断裂，这就更进一步证明用应力强度因子来描述裂纹尖端的受力程度，是客观反映了玻璃结构脆性断裂的本质。使裂纹发生失稳扩展的临界应力强度因子值，称为材料的断裂韧度，以K_1c 表示，玻璃结构脆性断裂的判据：

　　K₁＝K_1c ------------ (2) ，
　　当K₁ ＜K_1c 玻璃不断裂；当K₁＝K_1c玻璃断裂。

　　K_1c是材料固有的一种力学性质，根据文献《Construire en verre》，推算浮法玻璃的K1C≈0.76×10⁵ N m^-3/2

　　6.4 硫化镍临界直径
　　应用断裂力学的研究方法，Swain推导出下述公式[4]，可计算引起自爆的NiS的临界直径 D_c
　　D_c=( πK²_1c ) / (3.55 P₀^0.5σ₀^1.5)
　　临界直径D_c值取决于NiS周围的玻璃应力值σ₀。 式中应力强度因子K_1c=0.7610⁵ N m^-3/2度量相变及热膨胀的因子P₀= 615 Mpa .

　　6.5 钢化玻璃的强度为甚么得到提高？

　　钢化玻璃的生产方法：把玻璃加热到接近软化温度(不低於640℃) ，然后出炉进行快速冷却，使玻璃表面产生了压应力，玻璃表面的荷载拉应力σ_L 和玻璃表面的压应力σ_u相抵消，降低了玻璃表面实际拉应力的水平，从而提高了玻璃的强度。如图二十六。

图二十六 钢化玻璃的增强机理示意图

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