防護(hù)門的爆炸反彈效應(yīng)研究進(jìn)展*

吳小燕，孔新立，孟凡茂，秦藝菲，王　鵬

(解放軍理工大學(xué)，南京 210007)

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防護(hù)門的爆炸反彈效應(yīng)研究進(jìn)展*

吳小燕，孔新立，孟凡茂，秦藝菲，王鵬

(解放軍理工大學(xué)，南京 210007)

摘要:防護(hù)門反彈效應(yīng)研究是防護(hù)門設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，防護(hù)門會(huì)受到爆炸沖擊波負(fù)壓的影響，發(fā)生反彈效應(yīng)，產(chǎn)生的反彈力會(huì)對(duì)防護(hù)門的閉鎖和鉸頁(yè)等裝置造成破壞。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于爆炸沖擊波荷載下反彈效應(yīng)的研究成果，系統(tǒng)總結(jié)了防護(hù)門在反彈效應(yīng)下的理論研究進(jìn)展，分析了比例爆距、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、阻尼效應(yīng)等因素對(duì)防護(hù)門產(chǎn)生反彈效應(yīng)的影響。最后在防護(hù)門反彈效應(yīng)的研究的基礎(chǔ)上，對(duì)防護(hù)門抗反彈設(shè)計(jì)提出了合理的建議。

關(guān)鍵詞:防護(hù)門；反彈效應(yīng)；影響因素；常規(guī)武器

防護(hù)工程是一個(gè)國(guó)家安全防御系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它能夠抵抗預(yù)定殺傷性武器的破壞[1-3]。防護(hù)門是阻擋常規(guī)武器或核武器爆炸沖擊波的設(shè)備，是加強(qiáng)工程防護(hù)的第一道防線。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精確制導(dǎo)武器的使用比例越來(lái)越高、打擊精度越來(lái)越高，使當(dāng)前的防護(hù)工程受到很大的威脅。與核武器爆炸荷載相比，常規(guī)武器爆炸荷載作用時(shí)間較短，爆炸早期沖擊波高頻豐富、加載迅速、波長(zhǎng)較短，防護(hù)門在常規(guī)武器爆炸荷載作用下將發(fā)生反彈效應(yīng)，門體在反向荷載作用下，只有閉鎖和鉸頁(yè)這幾個(gè)點(diǎn)承載，反彈力較大時(shí)，將對(duì)閉鎖裝置和鉸頁(yè)產(chǎn)生極大的破壞，導(dǎo)致防護(hù)門整體失效。

從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外對(duì)反彈效應(yīng)都做出了相應(yīng)的研究，并制定了相關(guān)的規(guī)范。美國(guó)陸軍工程兵水道實(shí)驗(yàn)站出版的《TM5-855-1常規(guī)武器防護(hù)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]中指出防護(hù)門等效反彈壓力取0.5倍的入射波峰值壓力；陸?？杖娝玖畈柯?lián)合出版的《TM5-1300抗偶然性爆炸效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[5]中指出常規(guī)武器爆炸荷載作用下要考慮防護(hù)門的反彈效應(yīng)；美國(guó)空軍司令部和空軍武器實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布的《防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析手冊(cè)》[6]中給出了單自由度體系在固定支座無(wú)阻尼情況下的反彈抗力曲線。我國(guó)現(xiàn)行的一些規(guī)范也對(duì)這方面做了一些研究，《GB50038—2005人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]指出在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，反向荷載的等效取值。

1理論研究

在現(xiàn)行防護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要還只是考慮了核武器的爆炸效應(yīng)，只有當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)較高時(shí)，才考慮常規(guī)武器破壞效應(yīng)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。核武器爆炸荷載作用時(shí)間較長(zhǎng)，爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)壓峰值相對(duì)于正壓峰值較小。而常規(guī)武器爆炸作用時(shí)間較短，其負(fù)壓峰值有時(shí)幾乎與正壓峰值相等。

典型爆炸荷載時(shí)程曲線如圖1。在傳統(tǒng)防護(hù)門設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，一般采用核武器的爆炸沖擊波荷載，取均布法向作用的無(wú)升壓過(guò)程的平臺(tái)型荷載，如圖2(a)。而常規(guī)武器所產(chǎn)生的沖擊波則按照等沖量法簡(jiǎn)化成為突加線性衰減的荷載來(lái)考慮，如圖2(b)。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)早期一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步研究和發(fā)展了爆炸荷載理論。Florek 和 Benaroya通過(guò)對(duì)剛性塑體上作用均布載荷的理論研究，認(rèn)為不同的爆炸荷載形式將對(duì)作用結(jié)構(gòu)自生的靈敏度產(chǎn)生影響[8]，認(rèn)為必須盡量減少或消除其對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。Beshara提出了結(jié)構(gòu)的反彈效應(yīng)及動(dòng)力響應(yīng)與裝藥量TNT、比例爆距z、荷載大小、沖擊波作用時(shí)間及荷載形狀都有影響[9]。在此之后，國(guó)外學(xué)者對(duì)爆炸荷載作用下反射效應(yīng)做了大量研究，但動(dòng)荷載的靈敏變化荷載曲線尚未得到精確結(jié)果。

在國(guó)內(nèi)，方秦[10、11]、金豐年對(duì)反彈效應(yīng)進(jìn)行了深入研究[12]，文獻(xiàn)[10、11]認(rèn)為在核爆作用下設(shè)計(jì)防護(hù)門時(shí)，必須考慮在常規(guī)武器作用下防護(hù)門所產(chǎn)生的較大的反彈力的影響效應(yīng)。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)阻尼的影響也必須考慮進(jìn)入反彈效應(yīng)分析中。我國(guó)《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定對(duì)于室外出入口內(nèi)封堵構(gòu)件、支座及其聯(lián)結(jié)件，需驗(yàn)算在常規(guī)武器爆炸沖擊波作用下負(fù)向動(dòng)剪力的作用。對(duì)于室外方秦、柳錦春在《地下防護(hù)結(jié)構(gòu)》[13]中給出了空氣沖擊波作用下正壓峰值與負(fù)壓峰值的關(guān)系公式[13]，如式(1)。

(1)

式中：ΔPr為反射沖擊波超壓;ΔPi為入射沖擊波超壓，單位均為MPa。

由上式可知當(dāng)正壓峰值很高時(shí)，反射波可以達(dá)到入射波的8倍以上，實(shí)際上，在高溫高壓情況下，反射超壓將將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于8倍的入射超壓。

郭東、劉晶波等進(jìn)一步研究了防護(hù)門反彈效應(yīng)的影響因素[14、15]，認(rèn)為防護(hù)門的邊長(zhǎng)比、荷載作用時(shí)間、荷載形式、阻尼比以及沖擊波負(fù)壓等都對(duì)防護(hù)門的反彈效應(yīng)產(chǎn)生影響，且表明：當(dāng)防護(hù)門的邊長(zhǎng)比增大時(shí)，防護(hù)門正、負(fù)向動(dòng)剪力峰值都逐漸減??；沖擊波負(fù)壓和阻尼對(duì)防護(hù)門的正向動(dòng)力響應(yīng)影響可以忽略，對(duì)最大負(fù)向動(dòng)剪力影響較大；指數(shù)型荷載形式對(duì)防護(hù)門正、負(fù)向動(dòng)剪力峰值影響不大，可以忽略。杜家政、劉宜平等通過(guò)對(duì)爆炸荷載作用下防護(hù)門反彈效應(yīng)的數(shù)值模擬，認(rèn)為混凝土防護(hù)門比鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門反彈影響大[16]。

2防護(hù)門反彈效應(yīng)的影響因素分析

作用在防護(hù)門上的反射沖擊波荷載可以理解為作用在結(jié)構(gòu)上的反向動(dòng)剪力。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究與試驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)主要影響防護(hù)門在爆炸荷載作用下反彈效應(yīng)的因素主要有比例爆距、結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)形式、荷載作用形式、荷載作用時(shí)間、阻尼等。

2.1比例爆距的影響

TM5-1300中給出了無(wú)阻尼單自由度體系的彈性反彈圖表[5]，如圖3。由圖可知，當(dāng)反彈抗力r與屈服抗力Rm的比值等于-1時(shí)，將發(fā)生完全反彈。但是所有的設(shè)計(jì)規(guī)范及公式都有其自身的使用范圍，在進(jìn)行設(shè)計(jì)研究時(shí)，必須盡量考慮到反彈的各種影響因素。

2.2結(jié)構(gòu)自身的影響

當(dāng)前，防護(hù)門的主要形式包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。由于混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)門由于自身重力較大且相對(duì)抗力較低，設(shè)計(jì)者們更加傾向鋼結(jié)構(gòu)門體設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門，主要以梁板式鋼結(jié)構(gòu)為主而門扇骨架和門框主要以工字鋼和槽鋼組成。在對(duì)于防護(hù)門結(jié)構(gòu)自身對(duì)反彈效應(yīng)的影響因素分析過(guò)程中，影響鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門抗力的主要有骨架的排列方式、骨架的數(shù)量、骨架的截面尺寸以及面板的厚度等因素，而影響其反彈的主要為結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)比，即防護(hù)門門扇長(zhǎng)邊與短邊的比值。當(dāng)邊長(zhǎng)比增大時(shí)，短邊的反彈力峰值將減少。

2.3荷載的影響

荷載對(duì)于反彈效應(yīng)的影響，主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是荷載的作用持續(xù)時(shí)間，另一個(gè)是荷載的作用形式。作用在防護(hù)門等防護(hù)設(shè)備上的荷載主要包括作用時(shí)間較長(zhǎng)的核武器爆炸沖擊波荷載，以及荷載作用時(shí)間較短的常規(guī)武器爆炸沖擊波荷載。在有限元分析計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)改變荷載的作用持續(xù)時(shí)間，得出在荷載作用時(shí)間長(zhǎng)度越短時(shí)，跨中位移越大，如圖5所示?？梢?jiàn)常規(guī)武器爆炸荷載作用下，由于其高頻豐富，爆炸波的波長(zhǎng)短，使得材料的應(yīng)力變化快，防護(hù)門的抗力下降。

對(duì)于荷載形式對(duì)防護(hù)門反彈效應(yīng)的影響，防護(hù)門上受到的爆炸沖擊波荷載形式常用的有五種，包括有升壓時(shí)間的三角形荷載、無(wú)升壓時(shí)間的三角形荷載、矩形荷載、折線型荷載和指數(shù)型荷載。郭東基于等效單自由度體系的梁板結(jié)構(gòu)，采用無(wú)量綱分析得出[20]，在無(wú)升壓時(shí)間的三角形荷載、矩形荷載、折線型荷載和指數(shù)型荷載作用下，當(dāng)荷載持續(xù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)自振周期T的比值越小，反彈越大，當(dāng)比值無(wú)限趨向無(wú)窮大時(shí)，結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生50%的反彈，當(dāng)比值趨向零時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生100%反彈。

2.4阻尼的影響

在防護(hù)門設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)于防護(hù)門自身材料的阻尼值不太了解，且阻尼對(duì)于爆炸荷載作用產(chǎn)生的第一個(gè)壓力峰值影響較小，往往沒(méi)有考慮到阻尼的影響。在沖擊波荷載下，結(jié)構(gòu)在很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最大反應(yīng)，在這之前，阻尼力來(lái)不及從結(jié)構(gòu)當(dāng)中吸收太多的能量，這也是設(shè)計(jì)防護(hù)門過(guò)程中設(shè)計(jì)人員沒(méi)有考慮的另一個(gè)原因。

雖然設(shè)計(jì)者們基本認(rèn)為忽略阻尼是一種偏于安全的做法，但這無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)。在防護(hù)門受到爆炸沖擊波荷載下，會(huì)有兩種阻尼對(duì)其產(chǎn)生影響，分別為外部環(huán)境對(duì)梁骨架產(chǎn)生的外阻尼，以及防護(hù)門的內(nèi)部阻尼。通過(guò)對(duì)其無(wú)量綱分析得出，阻尼對(duì)于爆炸荷載作用下防護(hù)門上的正向動(dòng)剪力影響不大，對(duì)反彈力影響較大。在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，當(dāng)阻尼比ξ=0.01時(shí)，負(fù)向動(dòng)剪力減值60%，當(dāng)ξ=0.05時(shí)，變?yōu)榧s30%?？梢?jiàn)阻尼對(duì)于防護(hù)門在常規(guī)武器爆炸作用下衰減較大，且阻尼比越大，反彈力峰值將越小。在核武器爆炸荷載下，由于荷載作用時(shí)間短，防護(hù)門大多處于彈性階段，即使進(jìn)入塑性階段，防護(hù)門的變形也無(wú)法達(dá)到門體的極限變形，這是由于構(gòu)件本身的阻尼使得防護(hù)門有一定的殘余變形，無(wú)法充分利用材料本身的潛力?？紤]結(jié)構(gòu)材料的阻尼，可以優(yōu)化防護(hù)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，精確制導(dǎo)武器對(duì)防護(hù)設(shè)備的影響愈加明顯，對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞愈加嚴(yán)重，隨之對(duì)防護(hù)門的要求也越來(lái)越高。防護(hù)門的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造，將是軍隊(duì)國(guó)防建設(shè)未來(lái)的方向。近年來(lái)無(wú)論是通過(guò)改變防護(hù)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是采用新型材料，在防護(hù)門反彈效應(yīng)研究成果較少[21-26]，這將是防護(hù)門未來(lái)研究的一個(gè)方向。在此基礎(chǔ)上，作者提出幾點(diǎn)意見(jiàn)：

(1)當(dāng)前防護(hù)門的反彈效應(yīng)研究，許多研究工作還處于初期階段，我國(guó)滯后于國(guó)外很多年，國(guó)內(nèi)理論分析產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)公式也大多參考和借鑒了國(guó)外的許多相關(guān)方面的研究方法及經(jīng)驗(yàn)，因此必須加強(qiáng)防護(hù)門在力學(xué)方面的理論研究。

(2)目前大多數(shù)研究成果都是在有限元數(shù)值模擬上產(chǎn)生的結(jié)果，但是ANSYS等有限元分析軟件還不成熟，設(shè)計(jì)過(guò)程中大量參數(shù)需要準(zhǔn)確把握，稍有誤差，結(jié)構(gòu)可能千差萬(wàn)別。為了更為準(zhǔn)確的理論分析成果和相對(duì)解決方法，必須將爆炸試驗(yàn)跟數(shù)值模擬比較分析。

(3)在防護(hù)門設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)阻尼選擇更優(yōu)的材料，消除沖擊波對(duì)防護(hù)門的影響；通過(guò)增大防護(hù)門邊長(zhǎng)比，減小沖擊波的峰值，減小反彈力的影響，荷載形式對(duì)于沖擊波峰值影響不大，設(shè)計(jì)時(shí)可不用考慮。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須加強(qiáng)對(duì)鉸頁(yè)、閉鎖等裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Research Progress of Rebound Effect on Protective Doors under Blast Loading

WUXiao-yan,KONGXin-li,MENGFan-mao,QINYi-fei,WANGPeng

(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Abstract:The protective door was usually influenced by negative phase pressures of blast wave under the conventional weapon explosion loads,and the rebound force could destroy the latch,hinge,and so on.Study on rebound effect was a key research direction in the design of the protective door.According to the research progress in rebound effect at home and abroad,the theoretical research achievements were summarized and a comprehensive analysis was discussed on the influencing factors of protective door,such as the scaled distance,the structure characteristics and the effect of damping.Based on the researches on rebound effect,some suggestions were put forward on the rebound design of the protective door.

Key words:protective doors；rebound effect；influencing factor；conventional weapons

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.027

收稿日期:2016-04-04

作者簡(jiǎn)介:吳小燕(1990-)，女，江蘇常州，碩士研究生，主要從事巖土工程研究，(E-mail)lgdxwuxiaoyan@163.com。 通訊作者:孔新立(1979-)，男，山東菏澤，博士、講師，主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程研究，(E-mail)xlk80@126.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)青年基金(No.51308544)

中圖分類號(hào):TU391；TU352.1+3；TJ91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0137-05