爆炸壓強(qiáng)在建筑物表面分布的數(shù)值模擬★

都 浩 杜榮強(qiáng)

近幾年由于操作失誤或者蓄意破壞所造成的爆炸事故不斷發(fā)生，而爆炸對建筑物的損傷與破壞造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，因此對于易于遭受爆炸破壞的建筑物需要進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)或加固［1］。在進(jìn)行建筑物的抗爆設(shè)計(jì)或加固時(shí)，首先需要確定作用在建筑物上的爆炸荷載。但是由于建筑物的外形、尺寸和位置等因素復(fù)雜多樣，確定建筑物的爆炸荷載仍然存在很多困難［2-5］。

為了研究爆炸壓強(qiáng)在建筑物表面的分布規(guī)律，計(jì)算作用在建筑物外部的爆炸荷載，應(yīng)用非線性顯式有限元分析軟件AUTODYN建立爆炸沖擊波向建筑物傳播的數(shù)值分析模型，進(jìn)而分析建筑物表面爆炸壓強(qiáng)的分布規(guī)律。

1 模型描述

炸藥在剛性地面上發(fā)生爆炸，爆炸中心至目標(biāo)建筑物的距離為10 m，炸藥的TNT當(dāng)量為1 000 kg。建筑物外形為長方體，其尺寸為5 m×10 m×10 m。選取建筑物周圍空氣的尺寸為20 m× 20 m×11 m，假定在初始狀態(tài)時(shí)建筑物周圍環(huán)境中的空氣壓強(qiáng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)(101.3 kPa)，并且在空氣的邊界上允許空氣的流出［6］。假設(shè)建筑物為剛體，采用拉格朗日單元?jiǎng)澐?，而空氣則采用歐拉單元進(jìn)行劃分。根據(jù)對稱性，取一半結(jié)構(gòu)應(yīng)用AUTODYN軟件建立其有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 建筑物迎爆面的爆炸壓強(qiáng)

位于剛性地面上的炸藥引爆后，產(chǎn)生的爆炸沖擊波迅速傳播到目標(biāo)建筑物上，由于目標(biāo)建筑物的反射作用，在建筑物表面產(chǎn)生很大的反射壓強(qiáng)。在建筑物迎爆面上，距地面每隔1 m高度設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，用于計(jì)算爆炸沖擊波的各項(xiàng)參數(shù)。圖1給出了這些不同高度位置處測點(diǎn)的壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，即其壓強(qiáng)時(shí)程曲線。從圖1中可以看出，在爆炸沖擊波傳播到建筑物后，由于建筑物表面的反射，其底部壓強(qiáng)迅速達(dá)到了近4 MPa的峰值壓強(qiáng)，但爆炸作用的持續(xù)時(shí)間很短。此外可以看出，不同高度處的壓強(qiáng)時(shí)程曲線的外形相近，但各條曲線的峰值壓強(qiáng)和到達(dá)時(shí)間均不相同。

地面爆炸在建筑物的底部產(chǎn)生了很大的峰值壓強(qiáng)，然而沿著建筑物的高度方向，由于至爆炸中心的距離增大，同時(shí)地面反射作用減小，作用在建筑物上的爆炸壓強(qiáng)迅速減小。此外，從建筑物迎爆面不同高度處的峰值壓強(qiáng)的到達(dá)時(shí)間來看，隨著至爆炸中心的距離的增大，爆炸沖擊波的傳播速度和加速度都在減小，達(dá)到峰值壓強(qiáng)所需要的時(shí)間也在增加。

3 建筑物側(cè)面的爆炸壓強(qiáng)

爆炸沖擊波遇到建筑物后，一部分爆炸沖擊波被反射回來，還有部分沖擊波會繞過建筑物繼續(xù)向前傳播，同時(shí)發(fā)生沖擊波的繞流現(xiàn)象，并且在建筑物的側(cè)面也會產(chǎn)生相應(yīng)的爆炸壓強(qiáng)。

在建筑物的側(cè)面，沿建筑物高度方向每隔1 m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)。位于0 m，5 m和10 m高度處的測點(diǎn)上的壓強(qiáng)時(shí)程如圖2所示。從圖2中可以看出，對于傳播到建筑物底部的爆炸沖擊波，其側(cè)面的峰值壓強(qiáng)不到400 kPa，僅為其迎爆面峰值壓強(qiáng)的1/10。

此外從圖2中也可以看出，沿著建筑物的高度方向，各測點(diǎn)的壓強(qiáng)時(shí)程曲線外形相似，正壓作用時(shí)間相近。但是隨著建筑物高度的增大，峰值壓強(qiáng)逐漸減小，達(dá)到峰值壓強(qiáng)的所需時(shí)間也在增加。在壓強(qiáng)時(shí)程曲線上還可看出，由于建筑物與地面的多重反射，壓強(qiáng)產(chǎn)生了多個(gè)波峰。

4 建筑物背爆面的爆炸波

爆炸沖擊波除了在建筑物的迎爆面和側(cè)面產(chǎn)生壓強(qiáng)以外，還會在建筑物的背爆面產(chǎn)生爆炸壓強(qiáng)。這是因?yàn)橛幸徊糠直_擊波從建筑物的側(cè)面和頂部繞過建筑物，到達(dá)建筑物的后面，從而在建筑物的背爆面產(chǎn)生爆炸沖擊作用。

圖3給出了建筑物背爆面不同高度處的壓強(qiáng)時(shí)程曲線。從圖3中可以看出，背爆面的峰值壓強(qiáng)最大值位于頂部，這是由爆炸沖擊波從建筑物頂部繞過之后在背爆面產(chǎn)生的。然而這個(gè)峰值壓強(qiáng)不到220 kPa，相比建筑物迎爆面的峰值壓強(qiáng)要小得多。

在圖3中，實(shí)線所繪制的曲線表示建筑物背爆面底部的測點(diǎn)上計(jì)算得到的壓強(qiáng)時(shí)程。從曲線上可以看到兩個(gè)峰值，這是因?yàn)槔@過建筑物側(cè)面和繞過頂部的兩部分沖擊波先后到達(dá)測點(diǎn)所形成的。此外從建筑物頂部的壓強(qiáng)時(shí)程曲線上還可看到較長時(shí)間的負(fù)壓作用。可見，由于建筑物背爆面存在多個(gè)方向的繞流和多重反射，使得其爆炸壓強(qiáng)變得非常復(fù)雜。

5 結(jié)語

通過對建筑物外表面爆炸壓強(qiáng)的數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論：1)AUTODYN軟件可以較好地模擬爆炸沖擊波在建筑物外表面產(chǎn)生的爆炸壓強(qiáng);2)由于目標(biāo)建筑物的反射作用，在建筑物的迎爆面將產(chǎn)生很大的反射壓強(qiáng);3)由于爆炸沖擊波的繞流，建筑物的側(cè)面和背爆面也會產(chǎn)生爆炸荷載作用，但這種作用相比建筑物的迎爆面要小得多，而且由于爆炸沖擊波的繞流受到建筑物自身的形狀和尺寸的影響，建筑物側(cè)面和背爆面的壓強(qiáng)更為復(fù)雜。參考文獻(xiàn)：

［1］ Li Zhongxian，Du Hao，Bao Chunxiao.A review of current researches on blast load effects on building structures in China［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(S1)：35-41.

［2］ Smith Peter D.，Rose Timothy A..Blast wave propagation in city streets-an overview［J］.Progress in Structural Engineering and Materials，2005，8(1)：16-28.

［3］ Remennikov Alex M.，Rose Timothy A..Modelling blast loads on buildings in complex city geometries［J］.Computers＆Structures，2005，83(27)：2197-2205.

［4］ Luccioni B.，Ambrosini D.，Danesi R..Blast load assessment using hydrocodes［J］.Engineering Structures，2006，28(12)：1736-1744.

［5］ Clutter J.Keith，Mathis James T.，Stahl Michael W..Modeling environmental effects in the simulation of explosion events［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34(5)：973-989.

［6］ 都 浩，李忠獻(xiàn)，郝 洪.建筑物外部爆炸超壓荷載的數(shù)值 模擬［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，8(5)：413-418.