防護(hù)門設(shè)計(jì)研究

孟凡茂，徐 迎，龔華棟，馬淑娜，吳小燕

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007)

防護(hù)工程口部主要的防護(hù)設(shè)施包括防護(hù)門、防護(hù)密閉門和密閉門。防護(hù)門系統(tǒng)起著保護(hù)人員生命及物資安全的重要作用，既要抵抗沖擊波正向壓力的作用，又要抵抗沖擊波反向壓力的作用。防護(hù)密閉門還要防止毒劑、生物戰(zhàn)劑和放射性微粒等有害物質(zhì)進(jìn)入工程內(nèi)部。但由于早期材料類型、抗力等級(jí)、門扇尺寸等設(shè)計(jì)要求的限制，傳統(tǒng)防護(hù)門的結(jié)構(gòu)形式和材料類型比較單一，在使用過(guò)程中存在一定的問(wèn)題。因此開(kāi)展新型防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究具有十分重要的意義。

對(duì)新型防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究主要是從以下方面入手:一是以定型防護(hù)門為研究對(duì)象，利用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化防護(hù)門部分結(jié)構(gòu)。二是在防護(hù)門材料方面通過(guò)研究高性能混凝土，提高防護(hù)門抗力，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。三是對(duì)鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，改進(jìn)防護(hù)門的結(jié)構(gòu)形式。四是利用具有抗爆性能的新型復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)防護(hù)門結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)。

1 傳統(tǒng)防護(hù)門的研究

經(jīng)過(guò)多年的設(shè)計(jì)研究，我國(guó)在中、小跨度防護(hù)門方面取得了比較豐富的成果［1-4］。根據(jù)核爆炸的試驗(yàn)結(jié)果，有關(guān)科研設(shè)計(jì)單位已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種定型的防護(hù)門，供防護(hù)工程建設(shè)時(shí)選用。目前廣泛采用的是總參工程兵科研四所設(shè)計(jì)研究的系列防護(hù)門［5］。

傳統(tǒng)防護(hù)門多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土材料具有較高的抗壓和抗彎強(qiáng)度，材料易取，制作方便，耐腐蝕性能好，因而在防護(hù)門中應(yīng)用的比較廣泛。但是鋼筋混凝土防護(hù)門的門體笨重，抵抗武器再次打擊的效果不好。鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門的強(qiáng)度比較高，便于加工，可用于高強(qiáng)度和大跨度的工程。雖然在抗力等級(jí)要求相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門要比鋼筋混凝土防護(hù)門的質(zhì)量輕，但是質(zhì)量仍然偏重且對(duì)熱阻的防護(hù)效果不好。

由于跨度和抗力要求的不同，防護(hù)門的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，平板式和梁板式是定型門的主要結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門，梁板式最為常見(jiàn)，即以骨架梁為主要受力構(gòu)件，內(nèi)外焊接一定厚度的鋼板作為面板。骨架梁主要為槽鋼、工字鋼等，有十字形、井字形等布置方式。平板式是鋼筋混凝土防護(hù)門的主要結(jié)構(gòu)形式。跨度較小的門還有雙曲薄殼式、反拉拱式等，但由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、制作比較困難等原因，應(yīng)用不是很廣泛。常用的中、小跨度的各種防護(hù)門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。帶桁架橫肋的柱面殼或拉桿柱面殼鋼筋混凝土防護(hù)門在跨度較大的工程中較為常用。

圖1 常用的中、小跨度的各種防護(hù)門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

防護(hù)門以抗核武器爆炸沖擊波為主，荷載一般取為均布法向作用的突加恒定荷載，采用等效靜載法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。對(duì)于常規(guī)武器爆炸荷載，作用時(shí)間比較短，一般都按等沖量簡(jiǎn)化為突加三角形荷載。隨著常規(guī)武器的發(fā)展，防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究應(yīng)充分考慮防常規(guī)武器爆炸沖擊波的破壞作用。

總的來(lái)說(shuō)，早期防護(hù)門能夠滿足技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，但是門體笨重、結(jié)構(gòu)形式和材料比較單一，造成防護(hù)門在使用過(guò)程中存在運(yùn)輸和安裝不便、開(kāi)啟和維護(hù)不易、傳動(dòng)裝置可靠性不高、搶修搶建困難等一系列問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)研究中進(jìn)行改進(jìn)。

2 防護(hù)門優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

雖然定型防護(hù)門在工程中得到廣泛應(yīng)用，但是對(duì)防護(hù)門結(jié)構(gòu)體系及材料的最優(yōu)配置并沒(méi)有進(jìn)行過(guò)深入研究［4］。少數(shù)學(xué)者利用有限元軟件通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，分析了結(jié)構(gòu)的可優(yōu)化部分，為防護(hù)門的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提出了建議。

方秦等［6］以一個(gè)雙扇平板鋼結(jié)構(gòu)梁板式防護(hù)門為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元軟件，建立了分析模型，對(duì)防護(hù)門的截面和骨架梁布置方式進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算與分析。研究結(jié)果表明，該防護(hù)門部分鋼板厚度偏厚，而且前后面板厚度相同的設(shè)計(jì)不太合理，后面板的厚度可以適當(dāng)減薄，骨架梁布置的間距可以進(jìn)行優(yōu)化。

Hsieh等［7］利用有限元程序分析了一系列梁板式防護(hù)門的在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，得出肋梁可以承受大部分的爆炸荷載，在鉸頁(yè)附近的肋梁首先發(fā)生局部屈服，在應(yīng)力允許的條件下，應(yīng)該加強(qiáng)梁的網(wǎng)格密度和厚度。

郭東等［8］以典型梁板式 GF2025鋼制防護(hù)門為研究對(duì)象，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)防護(hù)門的動(dòng)力響應(yīng)及抗力進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)分析不同影響因素對(duì)防護(hù)門抗爆性能的影響規(guī)律，建立了較合理的計(jì)算模型。結(jié)果表明，GF2025防護(hù)門滿足抗力設(shè)計(jì)要求，但留有一定冗余。骨架梁選取合理的數(shù)量和布置方式能使門扇的受力特征達(dá)到較好效果，腹板厚度及高度、面板厚度對(duì)門體抗力影響顯著，翼緣板厚度和寬度對(duì)門體抗力幾乎無(wú)影響。研究成果可為同類防護(hù)門的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 高性能混凝土及組合結(jié)構(gòu)防護(hù)門的研究進(jìn)展

3.1 高性能混凝土防護(hù)門研究

混凝土材料在防護(hù)工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，改善混凝土的性能是提高結(jié)構(gòu)抗力，減輕門體質(zhì)量的有效手段。一些科研單位和學(xué)者根據(jù)工程實(shí)際，以高性能混凝土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)研究新型防護(hù)門，取得了一些研究成果。

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院［9］用有機(jī)單體或聚合物浸漬硬化后的混凝土，使聚合物充分填充混凝土內(nèi)部的孔隙，制成了聚合物浸漬混凝土。用這種材料制作的防護(hù)門，抗力比原防護(hù)門能提高近50%。若防護(hù)門抗力要求相同，門體質(zhì)量可以減輕30%～50%。

清華大學(xué)和海軍工程設(shè)計(jì)研究局［10］在高標(biāo)號(hào)水泥中摻加高效能減水劑，在現(xiàn)場(chǎng)施工條件下配制出了高強(qiáng)混凝土。將高強(qiáng)混凝土應(yīng)用到防護(hù)門上可以節(jié)約材料，減輕門扇的自重。

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院和空軍后勤部工程設(shè)計(jì)局［11］研究了鋼纖維高強(qiáng)混凝及其在防護(hù)門中的應(yīng)用，解決了鋼纖維的均勻分散，流態(tài)高強(qiáng)混凝土及其外加劑的配合比和現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具和工藝等一系列問(wèn)題。將材料應(yīng)用在防護(hù)門上抗爆力強(qiáng)，不易軟化，與鋼防護(hù)門比不生銹等，可節(jié)約鋼材。

高小玲等［12］通過(guò)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)防護(hù)門在材料應(yīng)用上存在的缺陷以及現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件對(duì)門扇材料要求的分析，歸納了新型材料在防護(hù)門中的應(yīng)用現(xiàn)狀。認(rèn)為纖維增強(qiáng)混凝土將是最有可能推廣應(yīng)用的新型防護(hù)門門扇材料，并對(duì)材料的發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

李紅英等［13］進(jìn)行了新型次輕混凝土研究(圖2)。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維增強(qiáng)次輕混凝土隨著陶粒摻量的增大，質(zhì)量不斷降低，28天抗壓和劈裂強(qiáng)度有所增大，但當(dāng)摻量超過(guò)50%時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)降低。纖維的摻入使混凝土強(qiáng)度有所增加，但是彈性模量下降較大。在抗爆炸沖擊方面，板的厚度影響較大。陶粒摻量為40%的次輕混凝土板性能較好，但還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 次輕混凝土試件試驗(yàn)研究

3.2 新結(jié)構(gòu)形式防護(hù)門研究

門體結(jié)構(gòu)形式的改變也是新型防護(hù)門設(shè)計(jì)研究的重要途徑。為了提高防護(hù)門抗力，在鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，研究較多的結(jié)構(gòu)形式主要包括鋼包鋼管混凝土(如圖3所示)、鋼包混凝土等。

圖3 鋼包鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式

海軍工程設(shè)計(jì)研究局［14］將鋼包鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用到防護(hù)門門扇內(nèi)，在鋼管內(nèi)部填充高強(qiáng)混凝土，制成了一種超高強(qiáng)三向應(yīng)力混凝土，其強(qiáng)度比普通鋼管混凝土強(qiáng)度高一倍以上，質(zhì)量與同等承載力的鋼結(jié)構(gòu)柱相比減輕近一半。利用高強(qiáng)鋼管混凝土制成的不同跨度的防護(hù)門比常用防護(hù)門的抗力提高5倍。

石少卿等［15］提出在鋼筋混凝土板中設(shè)置箱形鋼板，形成一種箱形鋼板加鋼筋混凝土組合的結(jié)構(gòu)形式，并通過(guò)與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)比，結(jié)構(gòu)的抗力能得到提高。

程偉等［16］通過(guò)在防護(hù)門結(jié)構(gòu)形式上采用鼓形形式，并在厚度方向采用疊層殼體的形式，選用高強(qiáng)度的特種鋼、防彈陶瓷、鋼栓高強(qiáng)混凝土和比強(qiáng)度高及吸能效果好的玻璃纖維復(fù)合材料作為門體材料，設(shè)計(jì)了高抗力防護(hù)門。

方秦等［17］把鋼隔板設(shè)置在鋼管混凝土的外圍，并通過(guò)在鋼隔板與鋼管的縫隙處二次填充高強(qiáng)混凝土，拱形門的內(nèi)弧處設(shè)置鋼管混凝土桁架，進(jìn)一步提高了防護(hù)門的抗力。

董暉等［18］利用鋼板的薄膜力與鋼絲繩的懸索力來(lái)抵抗爆炸荷載的作用，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了一種索膜結(jié)構(gòu)的防護(hù)門，并利用有限元軟件ABAQUS對(duì)其在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，索膜結(jié)構(gòu)防護(hù)門能夠承受設(shè)計(jì)荷載下的爆炸沖擊并且在化爆荷載作用下的反彈效應(yīng)較小，對(duì)于閉鎖設(shè)計(jì)的要求可以適當(dāng)降低。

從以上研究成果可以看出，早期有關(guān)防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究主要是關(guān)注提高結(jié)構(gòu)的抗力，研究對(duì)象多是針對(duì)某項(xiàng)具體工程的高抗力大跨度防護(hù)門，基本沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的束縛，都是不斷在鋼筋混凝土、鋼或者兩者的組合結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。

4 復(fù)合材料在防護(hù)門中的應(yīng)用研究

復(fù)合材料與金屬材料和混凝土材料等常規(guī)材料相比，比強(qiáng)度和比剛度較高，材料本身具有結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)靈活多變和結(jié)構(gòu)部件可整體成型等特點(diǎn)，最初被應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。隨著材料的發(fā)展，在防護(hù)工程領(lǐng)域，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗爆性能的復(fù)合材料和與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式得到應(yīng)用，如聚氨酯泡沫、泡沫鋁和夾層結(jié)構(gòu)等。在防護(hù)門方面，少數(shù)學(xué)者也對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了研究。

黃建立等［19］分析了我軍單機(jī)掩蔽庫(kù)庫(kù)門的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，從庫(kù)門內(nèi)襯材料入手，通過(guò)比較其對(duì)庫(kù)門整體強(qiáng)度、剛度及吸能能力的影響，指出可以將復(fù)合材料應(yīng)用在庫(kù)門上，形成了新的庫(kù)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

總參工程兵科研四所［20］設(shè)計(jì)了一種整體模壓式玻璃鋼人防防護(hù)門(圖4)，門扇采用整體玻璃鋼模壓結(jié)構(gòu)，制作的防護(hù)門質(zhì)量比較輕，解決了鋼筋混凝土門體笨重等一系列問(wèn)題。

圖4 模壓防護(hù)門

杜志全［21］設(shè)計(jì)了一種夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料防護(hù)門(圖5)，該防護(hù)門采用 GFRP作為面板，以硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為夾層。經(jīng)有限元軟件分析當(dāng)夾芯結(jié)構(gòu)為8塊，泡沫之間為環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料加強(qiáng)筋時(shí)，防護(hù)密閉門滿足設(shè)計(jì)要求。門扇質(zhì)量?jī)H為0.5噸左右，重量大幅度降低。

張東新［22］將復(fù)合泡沫鋁應(yīng)用于防護(hù)門結(jié)構(gòu)中，通過(guò)大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了該結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，并與普通防護(hù)門進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)填充復(fù)合泡沫鋁后結(jié)構(gòu)的抗爆性能顯著提高，復(fù)合泡沫鋁起到了延緩結(jié)構(gòu)破壞，減小結(jié)構(gòu)位移的效果。

張勇［23］通過(guò) ANSYS/LS-DYNA有限元計(jì)算程序計(jì)對(duì)填充SAFFC、聚氨酯泡沫鋁和聚氨酯蜂窩紙板的3種鋼板防護(hù)門進(jìn)行抗爆吸能計(jì)算，從對(duì)鋼板和填充物破壞形式、防護(hù)門對(duì)沖擊波衰減效果、鋼板和填充物的吸能性能、防護(hù)門質(zhì)量和建造價(jià)格等各方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)分析，為工程設(shè)計(jì)施工中不同條件下的選擇提供了依據(jù)。

目前利用復(fù)合材料進(jìn)行防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究還比較少，大部分是利用ANSYS/LS-DYNA等有限元軟件進(jìn)行模擬分析，缺少試件的制作及抗爆炸沖擊荷載試驗(yàn)的研究，但已有的研究成果反映了當(dāng)前防護(hù)門設(shè)計(jì)研究的方向［24-26］。

5 結(jié)束語(yǔ)

防護(hù)門結(jié)構(gòu)在不斷改進(jìn)和發(fā)展，目前防護(hù)門的研究已由最初關(guān)注抗力的提高轉(zhuǎn)變到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。防護(hù)門要在滿足技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的要求下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化，單一改變材料類型難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在采用新型復(fù)合材料的同時(shí)，要采用與復(fù)合材料相對(duì)應(yīng)的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如格柵結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等各種夾層結(jié)構(gòu)都可以探討作為門扇結(jié)構(gòu)的可行性。結(jié)合研究進(jìn)展作者認(rèn)為新型防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

1)當(dāng)前針對(duì)利用復(fù)合材料進(jìn)行防護(hù)門的設(shè)計(jì)研究基本都是利用ANSYS/LS-DYNA等有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)試件抗爆試驗(yàn)和理論分析的研究還比較少，這部分工作可進(jìn)一步完善。

2)復(fù)合材料輕量化技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為防護(hù)門減重設(shè)計(jì)提供了思路。可以利用輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)和新型復(fù)合材料對(duì)防護(hù)門進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)防護(hù)門結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)。

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