I-V型夾芯板在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下防爆性能研究

田力 胡建偉

摘? ?要：針對民用建筑物墻、板構(gòu)件提出一種新型的I-V型夾芯板防護結(jié)構(gòu)，采用非線性有限元軟件LS-DYNA，開展近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下I-V型夾芯板的防護性能研究.從質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移響應(yīng)3個方面，研究了炸藥比例距離、炸藥起爆位置對夾芯板防護效果的影響，同時對夾芯板的實際防護性能進行了驗證.結(jié)果表明：炸藥比例距離對I-V型夾芯板的防護性能有較大的影響;不同炸藥起爆位置對I-V型夾芯板的毀傷程度不同，在軸向增加起爆點的個數(shù)并不能顯著增大I-V型夾芯板的毀傷程度;有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板迎爆面只有少量混凝土脫落，且無鋼筋外露，背爆面無混凝土脫落，也無鋼筋外露，塑性變形區(qū)域較小，整體沒有形成貫穿破壞，I-V型夾芯板的實際防護效果很好.

關(guān)鍵詞：沖擊波;破片群;聯(lián)合作用;夾芯板;結(jié)構(gòu)防護設(shè)計

中圖分類號：TU352.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）01—0032—15

Abstract：This paper presents a new I-V type sandwich panel structure for civil building wall and plate， and uses the nonlinear finite element software LS-DYNA to study the explosion protection properties of I-V type sandwich panel under the combined loading of close-range blast wave and fragments. In terms of three aspects of mass loss， energy absorption and vertical peak displacement response， the influence of the explosive proportion distance， explosive initiation position on the protection effect of sandwich panels and the actual protective performance of sandwich panels were studied. The results show that the ratio of explosive distance has great influence on the protective performance of I-V type sandwich panels. The damage degree of different explosive initiation points to I-V type sandwich panels is different， and the number of initiation points in axial direction can not significantly increase the damage degree of I-V sandwich panels. There is only a small amount of detached concrete and no reinforcement exposed on the front surface， while on the back surface， no concrete falls off and no reinforcement exposes with lesser plastic deformation area，and there is no penetrating damage to the whole with the protection of I-V sandwich panels. The damage degree of the reinforced concrete slab with I-V sandwich panel is far less than that of the unprotected concrete slab.

Key words： shock wave;fragments;joint action;sandwich panel;structural protection design

近年來，各國恐怖襲擊事件和爆炸事故頻發(fā)，民用建筑物越來越成為襲擊的目標，而墻、板作為建筑物重要的承重構(gòu)件，一旦毀壞將會導(dǎo)致嚴重后果，因此在其外部安裝防護結(jié)構(gòu)并對其進行近距離爆炸沖擊波和破片群聯(lián)合作用下的防護性能研究顯得尤其重要.在諸多種類的防護結(jié)構(gòu)中，夾芯結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、吸能特性好和抗沖擊能力強等優(yōu)點，應(yīng)用在防護結(jié)構(gòu)中具有很大潛力.目前國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究，取得了一定的成果.何慶峰等[1-2]研究了鋼筋混凝土框架柱和混凝土重力壩在爆炸荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)及破壞分析，指出縱筋的配置情況對其承載能力有很大的影響.陳長海等[3]對近爆沖擊波作用下雙層夾芯結(jié)構(gòu)的破壞模式進行了試驗研究，指出雙層夾芯結(jié)構(gòu)能夠很好地避免局部撕裂破壞，抗爆性能優(yōu)于傳統(tǒng)的加筋板架.Zhu等[4-7]對爆炸荷載作用下蜂窩型夾芯結(jié)構(gòu)進行了試驗和數(shù)值研究，指出上下面板厚度和蜂窩尺寸對夾芯板中心點變形產(chǎn)生很大的影響，但對夾芯板的破壞模式幾乎沒有影響.李偉等[8]對爆炸沖擊波和高速破片群聯(lián)合作用下艙室板架破壞模式進行了試驗研究，指出沖擊波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體變形，破片群使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵徹穿口破壞，密集破孔在后續(xù)沖擊波作用下會產(chǎn)生撕裂破壞，形成大破口，對艙室整體結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生嚴重的影響.侯海量等[9]對沖擊波和破片群聯(lián)合作用下夾芯聯(lián)合艙壁的毀傷效應(yīng)進行了試驗研究，指出夾芯聯(lián)合艙壁前面板的破壞模式為整體撓曲大變形，局部密集穿甲破孔.段新峰等[10]研究了沖擊波和破片群聯(lián)合作用下I型夾芯板的毀傷情況，指出上下面板厚度及芯層配置對其毀傷情況產(chǎn)生重要的影響.

綜上可知：傳統(tǒng)上關(guān)于夾芯板的研究主要集中在爆炸沖擊波單一作用，而在沖擊波和破片群聯(lián)合作用下關(guān)于夾芯板的防護性能研究相對較少.此外，夾芯結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在艦船領(lǐng)域，在民用建筑物防護領(lǐng)域尚未應(yīng)用，因此本文在已有夾芯板類型的基礎(chǔ)上提出了一種新的I-V型夾芯板防護結(jié)構(gòu)，并將其作為建筑物墻、板的外部防護結(jié)構(gòu)，對其進行近爆沖擊波與破片群聯(lián)合作用下的防護性能研究.在與相關(guān)試驗及理論公式對比驗證其合理有效性的基礎(chǔ)上，進一步檢驗了I-V型夾芯板的實際防護性能.本文最終得出一些重要結(jié)論，可為相關(guān)的結(jié)構(gòu)防爆研究及工程實踐提供技術(shù)參考.

1? ?有限元模型與試驗驗證

1.1? ?有限元模型

有限元模型由空氣、炸藥、夾芯板和破片群組成，如圖1所示.其中，夾芯板長度與寬度a均為1 960 mm、上面板厚度tf為3 mm、下面板厚度tb為3 mm，豎向芯層壁板厚度tc為2 mm、斜向芯層壁板厚度tx為2 mm、芯層高度hc為40 mm、胞元寬度bc為40 mm.邊界約束條件為四周固支.炸藥截面形狀為圓柱形，半徑30 mm，高度60 mm，位于夾芯板中心正上方，預(yù)制破片群底端面與夾芯板上面板距離d為250 mm，起爆方式為中心起爆.

由于近場爆炸的破壞具有局部性，同時為減少計算時間，根據(jù)文獻[11]的做法，將空氣域覆蓋范圍取600 mm × 600 mm × 600 mm，在其表面施加無反射邊界條件.為模擬破片群密集作用區(qū)夾芯板的破壞，將夾芯板中心邊長為288 mm的正方形區(qū)域加密劃分，網(wǎng)格大小3 mm，其余區(qū)域8 mm.

空氣、炸藥、夾芯板和破片群均選用三維實體單元SOLID164模擬，其中空氣和炸藥選用ALE算法，夾芯板和破片群選用Lagrange算法.空氣與夾芯板和破片群間選用流固耦合，破片群與夾芯板間選用侵蝕接觸.

1.2? ?材料模型

炸藥選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN本構(gòu)模型，爆轟產(chǎn)物膨脹選用*EOS_JWL描述：

式中：PCJ為爆轟壓力;A1、B1、R1、R2、ω均為炸藥參數(shù);V為炸藥相對體積;E0為單位體積初始內(nèi)能.具體參數(shù)見表1.空氣選用*MAT_NULL本構(gòu)模型，理想氣體選用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL描述：

預(yù)制破片群選用鎢合金材料，忽略破片群在加速以及侵徹過程中自身的變形和損傷，將破片群視為剛體，選用*MAT_RIGID模型描述，密度17 800 kg/m3，彈性模量357 GPa，泊松比0.2.

1.3? ?數(shù)值模擬方法驗證

目前國內(nèi)外關(guān)于夾芯板在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下的試驗研究相對較少，本文通過兩個方面進行驗證：近爆荷載作用下三角形波紋夾芯板的動態(tài)響應(yīng)，以驗證ALE流固耦合方法;模擬裝藥驅(qū)動平板運動，以驗證裝藥驅(qū)動破片群飛散的速度.

1.3.1? ?近爆荷載作用下三角形波紋夾芯板模擬驗證

Zhang等[13]對近爆荷載作用下三角形波紋夾芯板的動態(tài)響應(yīng)進行了試驗研究.本文對Zhang等給出三角形波紋夾芯板試驗工況進行數(shù)值模擬，以驗證本文所采用ALE流固耦合方法的準確性.

三角形波紋夾芯板尺寸為452 mm × 440 mm，有效尺寸300 mm × 288 mm，上下面板厚度均為1.4 mm，兩者距離為14 mm，夾芯層面板厚度為0.7 mm，與水平面間夾角為45°，胞元寬度為28 mm.波紋板材料為304不銹鋼，具體參數(shù)見表3.炸藥形狀為圓柱形，半徑17.5 mm，高度37.2 mm，質(zhì)量0.055 kg，在距離夾芯板最遠的頂端起爆.

圖3和圖4分別為試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖、試驗和數(shù)值模擬截面破壞對比圖.由圖3和圖4可知，由于高強度沖擊波的作用，上面板中心區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)嚴重的破壞，且產(chǎn)生較大的撓曲變形;在沖擊波、上面板和夾芯層共同作用下，下面板均出現(xiàn)了局部的塑性變形，產(chǎn)生撕裂破壞，不同的是試驗產(chǎn)生的裂口有一定的傾斜，而數(shù)值模擬產(chǎn)生的裂口則與中心線對稱，產(chǎn)生這種情況的原因是試驗所用炸藥由于環(huán)境的限制沒有處在夾芯板中心的正上方，而數(shù)值模擬是在理想狀態(tài)下進行的，能夠保證炸藥處在夾芯板中心的正上方.試驗結(jié)果中裂口長度為57.0 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為58.9 mm，數(shù)值模擬結(jié)果相比試驗結(jié)果相差3.3%，滿足誤差精度要求.

從圖5可以看出，在10 ms內(nèi)，波紋板的變形在28.83 ～ 29.80 mm內(nèi)變化且趨于穩(wěn)定.由于波紋板穩(wěn)定時所需求解時間過長，為節(jié)約時間，取其此時變化范圍的均值作為最終穩(wěn)態(tài)值，因此中心點最大豎向位移為29.32 mm，而試驗結(jié)果為31.70 mm，兩者相差約3.4%，在誤差允許的范圍內(nèi).產(chǎn)生誤差的原因是數(shù)值模擬中三角形波紋板四周固結(jié)，屬于理想約束狀態(tài)，而試驗中三角形波紋板是由螺栓壓緊固定的，在螺栓孔處三角形波紋板受拉產(chǎn)生的變形較大，因此數(shù)值模擬結(jié)果略低于試驗結(jié)果.綜上可知，本文所選用的ALE流固耦合方法的準確性可以保證.

1.3.2? ?裝藥驅(qū)動平板運動驗證

由于沒有沖擊波驅(qū)動破片群的試驗研究，同時為了驗證沖擊波驅(qū)動破片群即本文所用ALE流固耦合方法的合理性，故進行裝藥驅(qū)動平板數(shù)值研究，如圖6所示.

平板直徑為35 mm，厚度分別為2 mm、3 mm和4 mm，3種數(shù)值模擬中炸藥參數(shù)均相同.將數(shù)據(jù)代入式（4），得到裝藥驅(qū)動平板拋擲速度分別為1 423.7 m/s，11 088.9 m/s，883.1 m/s;數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示，得到裝藥驅(qū)動平板拋擲速度分別為1 420.1 m/s，

將數(shù)值模擬結(jié)果與理論公式計算的結(jié)果進行對比，如圖8所示.由圖8可知，數(shù)值模擬結(jié)果和理論公式計算的結(jié)果具有很好的一致性.為了更進一步證明兩者的相關(guān)性，本文利用線性回歸分析中的皮爾遜相關(guān)系數(shù)R2和相對平均偏差Δ作為判別標準，得出兩者線性相關(guān)性.

將數(shù)據(jù)代入公式（5）和（6）得：R2 = 0.999 998，Δ = 0.189 58%.相關(guān)系數(shù)R2與1非常接近、相對平均偏差Δ較小，由此可以得出數(shù)值模擬結(jié)果和理論公式計算結(jié)果相關(guān)性極強，裝藥驅(qū)動破片群飛散的方法是可靠的.

2? ?炸藥比例距離

2.1? ?改變炸藥中心到測點的距離

當炸藥中心到測點距離發(fā)生變化時，會引起比例距離的變化，為了探究炸藥中心到測點距離變化對I-V型夾芯板結(jié)構(gòu)的毀傷程度，分別對表4中工況1、2、3、4和5進行研究.

2.1.1? ?質(zhì)量損失

5種不同比例距離下I-V型夾芯板的質(zhì)量損失如圖9所示.由圖9可知，質(zhì)量損失最多的是工況1，為576 g，質(zhì)量損失最少的是工況5，為416 g，前者是后者的約1.4倍.隨著炸藥中心到測點的距離逐漸增大進而引起炸藥比例距離逐漸增大時，I-V型夾芯板的質(zhì)量損失在逐漸減小.同時，從圖10可以看出，質(zhì)量損失減小的速率在逐漸增大，這是因為隨著炸藥中心到測點距離的逐漸增大，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在空氣傳播過程中衰減的速率加快，從而導(dǎo)致作用在I-V型夾芯板上的能量減少，進而導(dǎo)致質(zhì)量損失減小的速率增大.

2.1.2? ?能量吸收

5種不同比例距離下I-V型夾芯板的能量吸收如圖11所示.由圖11可以看出，吸收能量最多的是工況5，為49.7 kJ，吸收能量最少的是工況1，為37.6 kJ，前者是后者的約1.3倍.隨著炸藥中心到測點距離的逐漸增大，夾芯板上面板吸收的能量占整個夾芯板吸收總能量的比例在逐漸增加，這是因為隨著炸藥中心到測點距離的逐漸增大，沖擊波和破片群作用在夾芯板上面板的范圍也在不斷增大，進而引起上面板吸能比例增加;隨著炸藥中心到測點距離逐漸增大進而引起炸藥比例距離逐漸增大時，I-V型夾芯板吸收的總能量在逐漸增大，I-V型夾芯板吸收總能量增大的速率在逐漸減小.

2.1.3? ?豎向峰值位移響應(yīng)

5種不同比例距離下I-V型夾芯板下面板的豎向峰值位移曲線如圖12所示.由圖12可以看出，不同比例距離下下面板的豎向峰值位移不同，但變化趨勢基本相同，均為從中心向兩側(cè)先急劇減小，然后緩慢變化;不同比例距離下下面板的最大豎向峰值位移分別為6.6 mm、6.2 mm、5.7 mm、5.6 mm和5.4 mm，最大為6.6 mm，最小為5.4 mm，前者是后者的約1.2倍;不同比例距離下，除了下面板中心處附近豎向峰值位移相差較大外，其余地方差異很小;隨著炸藥中心到測點距離的增大引起比例距離的增大，下面板的最大豎向峰值位移在逐漸減小，從圖13可以看出其變化速率先增大后減小.

綜上，I-V型夾芯板的質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移3個參數(shù)的變化可以看出：隨著炸藥中心到測點距離的增加引起比例距離增大，I-V型夾芯板整體的破壞情況不斷減輕，且減輕的速率在增大.

2.2? ?改變炸藥質(zhì)量

當炸藥質(zhì)量發(fā)生變化時，會引起比例距離的變化，為了探究炸藥質(zhì)量變化對I-V型夾芯板結(jié)構(gòu)的毀傷程度，對表4中工況6、7、3、8和9進行研究.

2.2.1? ?質(zhì)量損失

5種不同比例距離下I-V型夾芯板的質(zhì)量損失如圖14所示.由圖14可以看出，質(zhì)量損失最大的是工況9，為580 g，質(zhì)量損失最小的是工況6，為424 g，前者是后者的約1.4倍;隨著炸藥質(zhì)量的逐漸增大進而引起炸藥比例距離逐漸減小時，I-V型夾芯板的質(zhì)量損失在逐漸增大，且增大的速率是先增大后減小.

2.2.2? ?能量吸收

5種不同比例距離下I-V型夾芯板的能量吸收如圖15所示.由圖15可以看出，吸收能量最多的是工況9，為54.0 kJ，吸收能量最少的是工況6，為35.7 kJ，前者是后者的約1.5倍;隨著炸藥質(zhì)量的逐漸增加，I-V型夾芯板吸收的總能量也在逐漸增加，從圖16可以看出其變化速率為先增大后減小，然后再增大.

2.2.3? ?豎向峰值位移響應(yīng)

5種不同比例距離下I-V型夾芯板下面板豎向峰值位移曲線如圖17所示.由圖17可以看出，不同比例距離下I-V型夾芯板下面板的豎向峰值位移不同，但變化趨勢基本相同，均為從中心向兩側(cè)先急劇減小，然后緩慢變化;不同比例距離下下面板最大豎向峰值位移分別為7.1 mm、6.9 mm、5.7 mm、5.1 mm和4.9 mm，最大為7.1 mm，最小為4.9 mm，前者是后者的約1.4倍;隨著炸藥質(zhì)量的增加，引起比例距離的減小，I-V型夾芯板下面板的最大豎向峰值位移在逐漸增大，從圖18可以得出其變化速率先增大后減小.這是因為本文中為了防止破片群變化引起的影響，即為了保持單一變量，保持炸藥的半徑不變，僅炸藥的高度發(fā)生變化，由于是中心起爆，隨著炸藥高度的增加，炸藥中心到夾芯板的距離也在增加.同時根據(jù)文獻[15]得出的結(jié)論，當炸藥的截面形狀為圓柱形時，考慮到爆轟產(chǎn)物向周圍散失，取修正后實際有效作用的裝藥量，即近似看做圓錐體的質(zhì)量.當圓柱體炸藥超過一定高度后，實際有效作用的裝藥量并沒有增加.

綜合I-V型夾芯板的質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移3個方面可以看出：隨著炸藥質(zhì)量的增加引起比例距離減小，I-V型夾芯板整體的破壞程度在不斷增大，且增大的速率先增大后減小.

2.3? ?比例距離不變

本文2.1節(jié)和2.2節(jié)分別研究了炸藥中心到測點的距離和炸藥質(zhì)量單一變化對I-V型夾芯板結(jié)構(gòu)毀傷程度的影響.為了探究兩者同時變化，保證炸藥比例距離不變對I-V型夾芯板結(jié)構(gòu)毀傷程度的影響，對工況10、11、12、13、3、14和15進行研究.

2.3.1? ?質(zhì)量損失

7種相同炸藥比例距離下I-V型夾芯板的質(zhì)量損失如圖19所示.由圖19可以看出，質(zhì)量損失最大的是工況14，為548 g，質(zhì)量損失最小的是工況10，為18 g，前者是后者的約30.4倍;當炸藥比例距離不變時，隨著炸藥中心到測點的距離逐漸增大以及炸藥質(zhì)量的相應(yīng)增加，I-V型夾芯板的質(zhì)量損失變化規(guī)律為先快速增加，然后緩慢增加，增大到一定程度后開始減小;當炸藥比例距離不變時，綜合考慮炸藥中心到測點的距離和炸藥的質(zhì)量兩種因素，從圖20可以得出，當炸藥中心到測點的距離為5～15 cm時，相比炸藥中心到測點的距離，炸藥質(zhì)量變化對I-V型夾芯板質(zhì)量損失影響更大，因為在此階段時I-V型夾芯板質(zhì)量損失的速率在不斷增大;當炸藥中心到測點的距離在15～35 cm時，相比炸藥質(zhì)量，炸藥中心到測點的距離變化對I-V型夾芯板質(zhì)量損失影響更大，因為在此階段時I-V型夾芯板質(zhì)量損失的速率在不斷減小.

2.3.2? ?能量吸收

7種相同炸藥比例距離下I-V型夾芯板的能量吸收如圖21所示.由圖21可以看出，吸收能量最多的是工況15，為57.1 kJ，吸收能量最少的是工況10，為2.5 kJ，前者是后者的約22.8倍;當炸藥比例距離不變時，隨著炸藥中心到測點的距離逐漸增大以及炸藥質(zhì)量的相應(yīng)增加，I-V型夾芯板吸收的總能量在逐漸增大，這是因為隨著炸藥中心到測點距離的增大以及炸藥質(zhì)量的相應(yīng)增加，沖擊波和破片群自身的能量以及作用在I-V型夾芯板上的范圍增大，從而引起夾芯板吸收總能量增加，同時從圖22可以看出I-V型夾芯板吸收總能量增加的速率先增大后減小.

2.3.3? ?豎向峰值位移響應(yīng)

7種相同炸藥比例距離下I-V型夾芯板下面板豎向峰值位移曲線如圖23所示.由圖23可以看出，7種相同炸藥比例距離下夾芯板下面板豎向峰值位移不同，但變化趨勢基本相同，均為從中心向兩側(cè)先急劇減小，然后緩慢變化;7種工況下夾芯板下面板的最大豎向峰值位移分別為0.2 mm、1.5 mm、4.2 mm、5.7 mm、5.7 mm、5.9 mm和5.8 mm，最大為5.9 mm，最小為0.2 mm，前者是后者的約29.5倍;當炸藥比例距離不變時，隨著炸藥中心到測點的距離逐漸增大以及炸藥質(zhì)量的相應(yīng)增加，I-V型夾芯板下面板的最大豎向峰值位移先急劇增加，然后緩慢增加，最后呈現(xiàn)下降的趨勢;當炸藥比例距離不變時，綜合考慮炸藥中心到測點的距離和炸藥質(zhì)量兩種因素，從圖24可以得出：當炸藥中心到測點的距離為5 ～ 15 cm時，相比炸藥中心到測點的距離，炸藥質(zhì)量變化對I-V型夾芯板最大豎向峰值位移的影響更大，因為在此階段時I-V型夾芯板最大豎向峰值位移的速率在不斷增大;當炸藥中心到測點的距離為15 ～ 35 cm時，相比炸藥質(zhì)量，炸藥中心到測點的距離變化對I-V型夾芯板最大豎向峰值位移的影響更大，因為在此階段時I-V型夾芯板最大豎向峰值位移的速率在不斷減小.

綜合I-V型夾芯板的質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移3個方面可以看出：隨著炸藥中心到測點距離的增大及相應(yīng)炸藥質(zhì)量的增加引起比例距離不變，I-V型夾芯板整體的破壞程度在不斷增大，且增大的速率先增大后減小.

2.4? ?炸藥起爆方式

炸藥起爆方式有單點起爆和多點起爆等，不同起爆方式炸藥的起爆性能不同，對沖擊波的傳播和破片群的驅(qū)動具有重要影響.為了探究近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，炸藥起爆方式對I-V型夾芯板防護結(jié)構(gòu)毀傷程度的影響，分別模擬了表5所示工況的炸藥起爆類型.6種工況中除了炸藥起爆方式不同外，其他參數(shù)均相同.起爆位置如圖25所示.

2.4.1? ?質(zhì)量損失

2.4.2? ?能量吸收

6種不同炸藥起爆方式下I-V型夾芯板的能量吸收如圖28所示，可以看出：不同炸藥起爆方式下I-V型夾芯板的能量吸收不同，工況16吸收的總能量最多，為50.7 kJ，工況19吸收的總能量最少，為40.0 kJ，前者是后者的約1.3倍.這是因為隨著起爆點位置的改變，實際有效作用的裝藥量逐漸減少;工況20為多點起爆，起爆位置為起爆點1和3，但I-V型夾芯板吸收的總能量并沒有隨著起爆點的增多而增大，相反比兩者單一作用下還有所減少，這是因為起爆點1和3同時起爆時，兩者爆轟產(chǎn)物傳播的方向會有一定程度的干擾，作用效果減弱.

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2.4.3? ?豎向峰值位移響應(yīng)

6種不同炸藥起爆方式下I-V型夾芯板下面板豎向峰值位移曲線如圖29所示，可以看出：不同炸藥起爆方式下I-V型夾芯板下面板豎向峰值位移不同，但變化趨勢基本相同，均從中心向兩側(cè)先急劇減小，然后緩慢變化;6種工況下I-V型夾芯板下面板最大豎向峰值位移分別為7.0 mm、6.5 mm、5.7 mm、5.5 mm、5.4 mm和5.8 mm，最大為7.0 mm，最小為5.4 mm，前者是后者的約1.3倍，這是因為本文考慮到爆轟產(chǎn)物的散失，實際有效作用的裝藥量發(fā)生了變化;工況20為多點起爆，起爆位置為起爆點1和3，但I-V型夾芯板的豎向峰值位移并沒有隨著起爆點的增多而增大.

綜合I-V型夾芯板的質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移可以看出：不同炸藥起爆方式引起的I-V型夾芯板的破壞程度不同，雖然炸藥總的質(zhì)量沒有變化，但實際有效作用裝藥量發(fā)生了改變;在軸向增加起爆點的個數(shù)并不能顯著增大I-V型夾芯板的破壞程度.

3? ?I-V型夾芯板的實際防護性能

為了驗證本文提出的I-V型夾芯板的實際防護性能，選擇鋼筋混凝土板作為被防護對象，開展近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板毀傷研究，將鋼筋混凝土板的毀傷情況作為判斷I-V型夾芯板防護性能優(yōu)劣的依據(jù).

3.1? ?有限元模型

未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板有限元模型如圖30所示，該模型由空氣、炸藥、破片群、鋼筋混凝土板及I-V型夾芯板組成.兩種有限元模型，除了有無I-V型夾芯板外，其他參數(shù)均相同.炸藥半徑50 mm，高度80 mm.空氣和破片群同本文1.1節(jié).混凝土板長和寬均為2 000 mm，厚度100 mm，保護層厚度20 mm.鋼筋混凝土板配筋如圖31所示，雙層雙向配筋，配筋直徑10 mm，間距120 mm.為了更好地模擬炸藥對鋼筋混凝土板的作用效果，在其中心處400 mm × 400 mm的正方形區(qū)域內(nèi)加密劃分，網(wǎng)格大小5 mm，其余部分網(wǎng)格大小8 mm;鋼筋網(wǎng)格大小5 mm.

在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，為了使I-V型夾芯板發(fā)生較大的變形以使其吸收更多的能量，從而最大限度發(fā)揮其防護性能，I-V型夾芯板和鋼筋混凝土板間預(yù)留了10 mm的距離.

3.2? ?材料參數(shù)

空氣、炸藥、破片群和I-V型夾芯板的材料模型同本文1.2節(jié).混凝土選用*MAT_CONCRETE_ DAMAGE_REAL（72號R3材料）本構(gòu)模型，型號C30，具體參數(shù)見表6.鋼筋選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC本構(gòu)模型，同時選用Cowper-Symonds模型，其狀態(tài)方程為：

3.3? ?破壞情況

在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板橫截面破壞情況如圖32所示，可以看出：當鋼筋混凝土板未防護時，其中心處產(chǎn)生一定的撓曲變形，且背爆面中心處有部分混凝土脫落，發(fā)生震塌破壞;當鋼筋混凝土板有防護時，其基本沒有產(chǎn)生撓曲變形，且背爆面混凝土沒有脫落，背爆面沒有發(fā)生破壞.

在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板迎爆面的塑性應(yīng)變云圖如圖33所示.由圖33（a）（b）可以看出，當鋼筋混凝土板未防護時，由于破片群侵蝕作用，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生很多侵徹坑，當一系列侵徹坑連在一起時造成大片混凝土脫落，共造成6根鋼筋外露，破壞較為嚴重;當鋼筋混凝土板有防護時，由于夾芯板中心處發(fā)生侵蝕破壞，導(dǎo)致部分沖擊波和破片群對鋼筋混凝土板發(fā)生作用，鋼筋混凝土板中心處局部產(chǎn)生了少量的混凝土脫落，沒有鋼筋露出，破壞較輕.

在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板背爆面塑性應(yīng)變云圖如圖33所示.由圖33（c）（d）可以看出，當鋼筋混凝土板未防護時，由于沖擊波的沖擊作用和破片群的侵蝕作用，鋼筋混凝土板的背爆面混凝土產(chǎn)生脫落，部分鋼筋外露，發(fā)生震塌破壞.由于迎爆面和背爆面均發(fā)生破壞，導(dǎo)致鋼筋混凝土板在中心處貫穿，破壞較為嚴重;當鋼筋混凝土板有防護時，鋼筋混凝土板背爆面沒有混凝土脫落，也沒有鋼筋外露，塑性變形區(qū)域較小，基本沒有發(fā)生破壞.

綜上可知，在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，未防護的鋼筋混凝土板破壞情況較為嚴重，迎爆面和背爆面均出現(xiàn)混凝土脫落，且脫落范圍較大，鋼筋外露，導(dǎo)致鋼筋混凝土板在中心處貫穿，承載能力大幅降低.有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板破壞情況較輕，由于夾芯板的防護作用，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生了少量的混凝土脫落，背爆面沒有混凝土脫落，迎爆面和背爆面均沒有鋼筋外露，總體來說基本沒有發(fā)生破壞.

3.4? ?質(zhì)量損失

鋼筋混凝土板質(zhì)量是鋼筋和混凝土質(zhì)量的總和，在未發(fā)生作用前，鋼筋混凝土板總質(zhì)量1 056.7 kg，其中鋼筋質(zhì)量81.6 kg，混凝土質(zhì)量975.1 kg.在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下，未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板鋼筋雖然發(fā)生一定的變形，但均沒有質(zhì)量損失，因此下文質(zhì)量損失均指混凝土的質(zhì)量損失.未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板的質(zhì)量損失如表8所示，可以看出：未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板的質(zhì)量損失分別為10.5 kg和1.3 kg，前者約為后者的8.1倍，兩者質(zhì)量損失占鋼筋混凝土板總質(zhì)量的比例分別為1.00%和0.12%;未防護的鋼筋混凝土板混凝土脫落嚴重，有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板混凝土只有很小的部分脫落.

3.5? ?能量吸收

吸收能量的多少從側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的破壞程度，鋼筋混凝土板吸收的能量越多，其破壞程度越嚴重.未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板總吸收能量包括混凝土的吸收能量和鋼筋的吸收能量，不包括I-V型夾芯板的吸收能量.未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板吸能情況如表9所示.可以看出：未防護的鋼筋混凝土板總吸收能量為31.39 kJ，有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板總吸收能量為0.61 kJ，前者總吸收能量約為后者總吸收能量的51.5倍，相差很大;在總吸收能量中，混凝土吸收的能量占比很大，兩種工況的比例分別約為98.7%和95.1%，鋼筋的作用主要是承受彎曲所引起的拉力以及防止溫度變化和混凝土收縮引起裂縫;兩種工況下，炸藥爆炸產(chǎn)生的總能量是相同的，主要包括爆轟能量損失、驅(qū)動破片群的能量、I-V型夾芯板吸收的能量和鋼筋混凝土板吸收的能量等.有I-V型夾芯板防護時，夾芯板吸收的總能量為68.39 kJ，其中上面板、夾芯層和下面板吸收的能量分別為30.24 kJ、19.41 kJ和18.74 kJ，由于夾芯板的吸能能力較強，把本該傳遞給鋼筋混凝土板的絕大部分能量阻攔，對鋼筋混凝土板起到很好的保護作用，防護效果很好.同時，由于I-V型夾芯板存在夾芯層，當破片群穿透上面板進入夾芯板時，由于夾芯板自身封閉性較好，進入夾芯板內(nèi)的破片群需要經(jīng)過多次反射才能到達夾芯板外，或者一直留在夾芯板內(nèi)，這期間消耗了破片群大量的動能，破片群的速度不斷降低，等到破片群反射出夾芯板外時速度已經(jīng)很小，減輕了破片群的二次傷害.

3.6? ?豎向峰值位移響應(yīng)

鋼筋混凝土板背爆面的撓度大小反映了爆炸沖擊波和破片群對其破壞的程度，同時也反映了本文所提出的I-V型夾芯板的防護性能.鋼筋混凝土板背爆面的撓度越大，其破壞程度越嚴重，此I-V型夾芯板的防護性能越差.

未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板背爆面豎向峰值位移曲線如圖34所示，可以看出：未防護和有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板背爆面的豎向峰值位移均出現(xiàn)在中心點處，兩者最大值分別為11.8 mm和1.1 mm，前者約為后者的10.7倍.未防護的鋼筋混凝土板背爆面破壞形狀為凸形，即中間產(chǎn)生撓曲大變形，然后向兩側(cè)先快速減小，再緩慢減小;有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板背爆面的變形較小，且曲線變化幅度不大.

綜合鋼筋混凝土板的破壞情況、質(zhì)量損失、吸收能量和豎向峰值位移4個方面可知：本文提出的I-V型夾芯板的實際防護效果很好.

4? ?結(jié)? 論

針對民用建筑物墻、板構(gòu)件在近爆沖擊波和破片群聯(lián)合作用下的防護研究，提出了一種新型I-V型夾芯板防護結(jié)構(gòu).具體成果如下：

1）建立炸藥-空氣-破片群-I-V型夾芯板有限元模型、選用材料模型、接觸算法及耦合算法，通過對近爆作用下三角形波紋夾芯板的動態(tài)響應(yīng)及裝藥驅(qū)動平板運動的數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果和理論結(jié)果進行對比，證明本文采用的有限元模型、材料模型及流固耦合方法是合理且有效的.

2）從I-V型夾芯板的質(zhì)量損失、能量吸收和豎向峰值位移3個方面可以看出：隨著炸藥中心到測點距離的增加引起比例距離增大，I-V型夾芯板整體的破壞程度不斷減輕，且減輕的速率在增大;隨著炸藥質(zhì)量的增加引起比例距離減小，I-V型夾芯板整體的破壞程度在不斷增大，且增大的速率先增大后減小;隨著炸藥中心到測點距離的增大及相對應(yīng)炸藥質(zhì)量的增加引起比例距離不變，I-V型夾芯板整體的破壞程度在不斷增大，且增大的速率先增大后減小.

3）不同炸藥起爆方式引起的I-V型夾芯板的

破壞程度不同，雖然炸藥總質(zhì)量沒有變化，但實際有效作用裝藥量發(fā)生了改變;在軸向增加起爆點的個數(shù)并不能顯著增大I-V型夾芯板的破壞程度.

4）有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板迎爆

面只有少量的混凝土脫落，且無鋼筋外露，背爆面無混凝土脫落，也無鋼筋外露，塑性變形區(qū)域也較小，整體也沒有形成貫穿破壞，有I-V型夾芯板防護的鋼筋混凝土板迎爆面和背爆面的破壞程度均遠遠小于無防護的鋼筋混凝土板.本文提出的I-V型夾芯板實際防護效果很好，能夠為工程設(shè)計提供重要的參考.

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