三、玻璃断裂力学及玻璃结构.docx

三、玻璃断裂力学及玻璃结构.docx第三章玻璃、断裂力学及玻璃结构
第一节玻璃
玻璃是一种均质的材料，一种固化的液体，分子完全任意排列。 由于它是各种化学键的组合，因此没有化学公式。玻璃没有熔点，当 它被加热时，会逐渐从固体状态转变为具有塑性的黏质状态， 最后成
为一种液体状态。与其他那些因测量方向不同而表现出不同特性的晶 体相比，玻璃表现了各向同性，即它的性能不是由方向决定的。当前 用于建筑的玻璃是钠钙硅酸盐玻璃。 生产过程中，原材料要被加热到 很高的温度，使其在冷却前变成黏性状态，再冷却成形。

常温下玻璃有许多优异的力学性能：高的抗压强度、好的弹性、 高的硬度，莫氏硬度在5〜6之间，用一般的金属刻化玻璃很难留下 痕迹，切割玻璃要用硬度极高的金刚石。抗压强度比抗拉强度高数倍。 常用玻璃与常用建筑材料的强度比较如下：
玻璃
钢（Q235
铸铁
水泥
抗压强度（Mpa
630〜1260
650
20 〜80
抗拉强度（Mpa
28 〜70
380〜470
100 〜280

玻璃的应力应变拉伸曲线与钢和塑料是不同的， 钢和塑料的拉伸 应力在没有超过比例极限以前，应力与应变呈线性直线关系，超过弹 性极限并小于强度极限，应变增加很快，而应力几乎没有增加，超过 屈服极限以后，应力随应变非线性增加，直至钢材断裂。玻璃是典型
的脆性材料，其应力应变关系呈线性关系直至破坏，没有屈服极限， 与其它建筑材料不同的是：玻璃在它的应力峰值区，不能产生屈服而 重新分布，一旦强度超过则立即发生破坏。应力与变形曲线见下图。
。
玻璃的理论断裂强度就是玻璃材料断裂强度在理论上可能达到
的最高值，计算玻璃理论断裂强度应该从原子间结合力入手， 因为只 有克服了原子间的结合力，玻璃才有可能发生断裂。 Kelly在1973
年的研究表明理想的玻璃理论断裂强度一般处于材料弹性模量的
1/10〜1/20之间， x 104 MPa,远大于实际强度，在实际 材料中，只有少量的经过精心制作极细的玻璃纤维的断裂强度， 能够
达到或者接近这一理论的计算结果。 断裂强度的理论值和建筑玻璃的 实际值之间存在的悬殊的差异，是因为玻璃在制造过程中不可避免的 在表面产生很多肉眼看不见的裂纹，深度约 ,每mm面积有几百条，又称格里菲思裂纹，见图3-2、图3-3。 至使断裂强度的理论值远大于实际值。1913年Inglis 提出应力集中
理论，指出截面的急剧变化和裂纹缺陷附近的区域将产生显著的应力 集中效应，即这些区域中的最大拉应力要比平均拉应力大或者大很 多。对于韧性材料，当最大拉应力超过屈服强度之后，由于材料的屈 服效应使应力的分布愈来愈均匀， 应力集中效应下降；对玻璃这样的 脆性材料，高度的应力集中效应保持到断裂时为止， 所以对玻璃结构 除了要考虑应力集中效应之外，还要考虑断裂韧性。
图3-2玻璃表面裂纹
图3-3玻璃
表面的格里菲思裂纹
。
1） 、断裂强度大小不一，离散度很大，见图 3-5。
2） 、由于拉应力作用，断裂一般起源于玻璃表面。
3） 、断裂强度与裂纹深度有直接关系，见图 3-6。
4） 、断裂强度与荷载的持续时间有一定的关系，见图 3-7
< Q,.OT mm. MPti
Dd01 el” J*.J
OtG2 mrr-. 35 MP， 605 rnrr . 30 *XPt
w 2S MPn -D. 1 O rri' l, 2C MPa
i厂% 3D <T 巾必|
（正态分布图）
（累加频率图）
图3-5玻璃断裂强度统计分析图
门|训划
图3-4 a、b、c是玻璃表面裂纹程度不同的三种玻璃
图3-6玻璃断裂强度与裂纹深度关系 图3-7玻璃断裂
强度与荷载时间关系
。
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






失效概率
50%
9%
1%
%
%
%
第二节玻璃的断裂力学

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，