3種鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)防護(hù)性能研究

王成， 仲?gòu)┬瘢?王萬(wàn)里， 昝文濤， 遲力源， 魏新熙

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國(guó)兵器工業(yè)火炸藥工程與安全技術(shù)研究院，北京 100053)

為防止臨近建筑物內(nèi)易燃易爆品發(fā)生殉燃、殉爆，同時(shí)保障建筑物內(nèi)人員安全，現(xiàn)有針對(duì)火炸藥、引信、雷管、戰(zhàn)斗部等易燃易爆品的生產(chǎn)廠房、儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)進(jìn)行爆炸防護(hù)的措施主要包括：建筑物抗爆泄爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑物外圍修建防護(hù)設(shè)施等措施[1]. 常見(jiàn)的建筑物外圍抗爆防護(hù)設(shè)施為防爆土堤，即由泥土堆成的堤壩形結(jié)構(gòu)，防護(hù)效果有限，且需占用大量空間，土地利用率低，在空間上對(duì)建筑物群規(guī)劃建設(shè)方案形成掣肘. 隨著易燃易爆品爆炸性能的提升以及工廠改造等需求的出現(xiàn)，亟需采用新型防護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)新型抗爆結(jié)構(gòu)，提升空間利用率，滿足火炸藥、彈藥等易燃易爆品生產(chǎn)人員和生產(chǎn)設(shè)備的防護(hù)需求. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的抗連續(xù)倒塌力學(xué)性能和較高的防護(hù)效果成為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的首選，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究. 王茹楠[2]對(duì)鋼板、纖維混凝土組成的復(fù)合抗爆墻進(jìn)行了抗爆性能及其影響因素進(jìn)行了研究，分析了爆炸沖擊下復(fù)合抗爆墻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)其影響參數(shù)進(jìn)行了研究. 丁娜娜等[3]對(duì)懸臂式防爆墻的沖擊波防護(hù)效果進(jìn)行了研究，采用LS-DYNA軟件對(duì)設(shè)置防爆墻的沖擊波流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了防爆墻后沖擊波壓力的超壓衰減率. ALSUBAEI[4]采用ProSAir有限元程序、縮比試驗(yàn)及全尺寸試驗(yàn)對(duì)近場(chǎng)爆炸作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了剛性蓋板結(jié)構(gòu)、平面防爆結(jié)構(gòu)、聚氨酯泡沫填充、泡沫鋁加固等影響因素對(duì)于防護(hù)效果的影響. SHERIF等[5]采用有限元方法對(duì)于超高性能纖維增強(qiáng)混凝土在爆炸沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時(shí)對(duì)厚度、配筋率等影響因素進(jìn)行了分析. SEMAN等[6]采用AUTODYN軟件對(duì)不同配筋方式鋼筋混凝土在爆炸沖擊作用下的損傷及傾倒程度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比. 雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土防護(hù)作用做了大量研究，然而針對(duì)鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于沖擊波防護(hù)效果的影響研究較少，并且以上研究多數(shù)通過(guò)商用軟件完成數(shù)值計(jì)算，無(wú)法對(duì)大范圍、工程尺度的炸藥爆炸、沖擊波傳播以及與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相互作用全過(guò)程進(jìn)行完整描述. 因此本文針對(duì)沖擊波防護(hù)，設(shè)計(jì)了3種不同構(gòu)型的鋼筋混凝土抗爆結(jié)構(gòu)，并且基于自主開(kāi)發(fā)的高精度大規(guī)模仿真軟件，對(duì)不同構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行了全尺寸高精度數(shù)值仿真計(jì)算.

1 爆炸沖擊計(jì)算方法

1.1 控制方程

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度大規(guī)模仿真軟件采用歐拉方程組[7]對(duì)爆炸流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行高精度計(jì)算. 三維守恒型歐拉控制方程組可表示為

(1)

其中，

式中:u、v、w分別為x、y、z三個(gè)方向的速度;E為材料單位質(zhì)量的總能量;e為材料比內(nèi)能.

E=e+(u2+v2+w2)/2

(2)

軟件針對(duì)不同物質(zhì)提供了多種狀態(tài)方程，在本研究中，對(duì)于空氣采用理想氣體狀態(tài)方程

p=(γ-1)ρe

(3)

式中:γ為氣體絕熱指數(shù)，對(duì)于空氣取γ=1.4；空氣初始密度ρ0為1.225 kg/m3；初始?jí)毫0為0.101 3 MPa. 對(duì)于炸藥及其爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程：

(4)

式中:ρ0為炸藥的初始密度;A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程參數(shù). 對(duì)于TNT炸藥，軟件內(nèi)置TNT炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)[8]如表1所示.

表1 TNT炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

1.2 高精度計(jì)算方法

炸藥爆炸后的流場(chǎng)數(shù)值模擬為多物質(zhì)相互作用問(wèn)題，軟件采用Level-Set方法[9]隱式地對(duì)多物質(zhì)界面進(jìn)行追蹤，采用真實(shí)虛擬流體方法(real ghost fluid method，RGFM)[10]實(shí)現(xiàn)多物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用求解，通過(guò)將多物質(zhì)相互作用問(wèn)題解耦為各物質(zhì)的單物質(zhì)問(wèn)題，可采用統(tǒng)一格式對(duì)計(jì)算域進(jìn)行高精度求解. 由于炸藥距離端面重墻結(jié)構(gòu)建筑物距離較遠(yuǎn)，爆炸沖擊波對(duì)端面重墻結(jié)構(gòu)無(wú)法造成破壞，因此將端面重墻結(jié)構(gòu)視為剛體進(jìn)行計(jì)算.

虛擬流體方法(GFM)可以有效地避免多物質(zhì)界面附近物質(zhì)狀態(tài)出現(xiàn)非物理震蕩. 針對(duì)GFM方法進(jìn)行改進(jìn)，可以將GFM方法用于處理流體-剛體之間相互作用的問(wèn)題，即為壁面虛擬流體方法(WGFM)[11]. WGFM通過(guò)在界面兩側(cè)構(gòu)造局部壁面黎曼問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體與剛體相互作用的有效處理. 采用HLLD方法[12]對(duì)壁面黎曼問(wèn)題進(jìn)行求解，將界面左右兩側(cè)非線性波均近似為激波，因此左右兩側(cè)非線性波滿足R-H關(guān)系：

sLU*L-F*L=sLUL-FL

sRU*R-F*R=sRUR-FR

(5)

式中:sL、sR分別左右兩側(cè)波速. 在界面處，界面兩側(cè)物質(zhì)需滿足位移連續(xù)條件及壓力連續(xù)條件：

u*L=u*Rp*L=p*R

(6)

聯(lián)立方程式(5)(6)即可通過(guò)迭代求得界面處材料的真實(shí)物理狀態(tài)，即為近似黎曼解. 將壁面近似黎曼解賦值給界面兩側(cè)真實(shí)物質(zhì)點(diǎn)及虛擬物質(zhì)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)多物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用.

軟件采用5階WENO有限差分格式[9]對(duì)式(1)歐拉控制方程組進(jìn)行空間離散，采用三階TVD Runge-Kutta方法進(jìn)行時(shí)間離散，實(shí)現(xiàn)炸藥爆炸沖擊波復(fù)雜流場(chǎng)的高精度數(shù)值仿真.

2 端面重墻結(jié)構(gòu)爆炸沖擊波流場(chǎng)高精度仿真研究

2.1 端面重墻防護(hù)結(jié)構(gòu)

針對(duì)爆炸物沖擊波防護(hù)，本研究設(shè)計(jì)了3種不同構(gòu)型的端面重墻結(jié)構(gòu)，主跨結(jié)構(gòu)一致，根據(jù)翼墻結(jié)構(gòu)的不同分別為直線型、斜線型以及折線型結(jié)構(gòu)，如圖2～4所示.

圖1 壁面虛擬流體方法示意圖

圖2 直線型端面重墻結(jié)構(gòu)初始建模圖

圖3 斜線型端面重墻結(jié)構(gòu)初始建模圖

圖4 折線型端面重墻結(jié)構(gòu)初始建模圖

為了避免迎爆面面積對(duì)于防護(hù)性能的影響，3種構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)整體跨度、高度相同，分別為13 m、6.8 m；主墻結(jié)構(gòu)相同，厚度為0.3 m，長(zhǎng)度為9 m，高度為6.8 m；支撐結(jié)構(gòu)相同，高度為6.8 m，厚度為0.25 m，長(zhǎng)度為0.9 m. 直線型翼墻結(jié)構(gòu)與主墻平齊，厚度、高度相同，長(zhǎng)度為2 m；斜線型翼墻結(jié)構(gòu)與主墻夾角為45°，厚度與主墻面相同，在平行于主墻方向的投影長(zhǎng)度為2 m；折線型翼墻結(jié)構(gòu)基于直線型結(jié)構(gòu)，在翼墻兩側(cè)增加了垂直于主墻面的折線形結(jié)構(gòu). 3種構(gòu)型的端面重墻結(jié)構(gòu)與尺寸如圖5所示.

圖5 3種構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)與尺寸示意圖

通過(guò)設(shè)計(jì)端面重墻主墻結(jié)構(gòu)可以有效的對(duì)爆炸沖擊波進(jìn)行反射，阻擋沖擊波繼續(xù)向后傳播，翼墻結(jié)構(gòu)具有對(duì)繞射沖擊波的阻隔作用，對(duì)房屋側(cè)面形成防護(hù)效果，支撐結(jié)構(gòu)可以保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止端面重墻結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下出現(xiàn)倒塌. 不同翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波反射與繞射的效果不同，基于大規(guī)模高精度仿真軟件對(duì)3種構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波的防護(hù)效果進(jìn)行模擬，選取最優(yōu)的抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu).

2.2 沖擊波流場(chǎng)規(guī)律研究

針對(duì)不同構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波的衰減作用進(jìn)行了研究，1 t TNT炸藥放置于距離端面重墻45 m處位置，超壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖6及表2所示.

表2 流場(chǎng)超壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖6 流場(chǎng)超壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖7以折線型端面重墻防護(hù)結(jié)構(gòu)為例展示了爆炸沖擊波的傳播與結(jié)構(gòu)作用過(guò)程. 可明顯看到?jīng)_擊波在重墻結(jié)構(gòu)迎爆面的反射過(guò)程以及翼墻對(duì)繞射沖擊波的阻隔過(guò)程，流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線如圖8～10所示.

圖7 折線型構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)流場(chǎng)壓力等值面圖

圖8 重墻外側(cè)中線測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線(P1～P10)

P1～P10測(cè)點(diǎn)位于端面重墻前，曲線中第一個(gè)波峰為炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波的波峰，由于3種工況均為45 m處1 t TNT爆炸產(chǎn)生的沖擊波，因此3種構(gòu)型P1～P10曲線第一個(gè)波峰超壓值一致，并可以看出沖擊波在自由場(chǎng)空氣中的衰減過(guò)程. P1～P5測(cè)點(diǎn)距離端面重墻距離較近，在曲線圖中，可以明顯看出爆炸產(chǎn)生的沖擊波在到達(dá)端面重墻之后由于墻面反射形成的反射沖擊波，反射沖擊波主要由主墻面反射產(chǎn)生，由于3種構(gòu)型主墻面結(jié)構(gòu)一致，因此第二個(gè)超壓峰值無(wú)明顯差異.

P11～P14測(cè)點(diǎn)位于房屋側(cè)面，房屋側(cè)面測(cè)點(diǎn)的超壓曲線主要受到端面重墻翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波阻隔、反射、繞射的影響. 由P11測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波具有明顯的防護(hù)效果，并且折線型翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于臨近房屋處的沖擊波壓力具有更好的阻隔效應(yīng)，其次是斜線型翼墻結(jié)構(gòu)，直線型翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波壓力的阻隔效果最差. 由P12測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，折線型與斜線型翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波具有較好的反射繞射效果，將距離房屋較近處的沖擊波通過(guò)繞射傳播至距離房屋較遠(yuǎn)處，確保距離房屋較近處沖擊波超壓峰值較小. P13、P14測(cè)點(diǎn)由于距離太遠(yuǎn)，翼墻結(jié)構(gòu)的影響不明顯，因此3種構(gòu)型超壓峰值沒(méi)有太大差異. 因此翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于房屋及距離房屋較近處具有良好的防護(hù)效果，可以有效地將繞射沖擊波阻隔，且不同結(jié)構(gòu)防護(hù)效果具有較大差異，其中折線型翼墻結(jié)構(gòu)防護(hù)效果最佳.

圖9 房屋側(cè)墻外測(cè)點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線(P11～P14)

P15～P20為房屋內(nèi)部的點(diǎn)，由這些測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)更能明顯地反映出不同構(gòu)型端面重墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波的防護(hù)效果. P15～P17為房屋內(nèi)部中線上的測(cè)點(diǎn)，P18～P20為房屋內(nèi)部偏離中線靠近窗戶的測(cè)點(diǎn)，對(duì)比兩處不同位置的測(cè)點(diǎn)可以看出，中線上的測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓峰值要大于靠近窗戶處的測(cè)點(diǎn)，這是由于沖擊波在進(jìn)入房屋后在中線處形成了匯集，造成了沖擊波超壓峰值的上升. 由不同構(gòu)型房屋內(nèi)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以明顯看出，3種不同構(gòu)型對(duì)于沖擊波防護(hù)效果的不同，折線型端面重墻結(jié)構(gòu)相較于其他兩種構(gòu)型具有更好的防護(hù)效果.

圖11為不同翼墻結(jié)構(gòu)沖擊波反射、繞射壓力云圖. 對(duì)比3種結(jié)構(gòu)沖擊波流場(chǎng)分布規(guī)律，沖擊波在直線型結(jié)構(gòu)A區(qū)域形成的馬赫反射波強(qiáng)度明顯高于其他兩種翼墻結(jié)構(gòu)，其中，折線型結(jié)構(gòu)無(wú)法看到明顯的馬赫反射波. 在廠房?jī)?nèi)部，部分沖擊波會(huì)經(jīng)由窗戶等聯(lián)通結(jié)構(gòu)傳播至B區(qū)域，對(duì)比3種結(jié)構(gòu)，折線型結(jié)構(gòu)由于翼墻的二次繞射作用，最終導(dǎo)致B區(qū)域沖擊波壓力明顯低于直線型結(jié)構(gòu)與斜線型結(jié)構(gòu). 針對(duì)不同翼墻端面重墻結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析可以看出，由于折線型翼墻結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)拐角，對(duì)沖擊波形成了二次稀疏作用，可以有效降低側(cè)面距離房屋較近處沖擊波的超壓，因此認(rèn)為折線型端面重墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波防護(hù)具有更明顯的效果，防護(hù)效果最佳.

圖11 不同翼墻結(jié)構(gòu)沖擊波反射、繞射壓力云圖

對(duì)于折線型端面重墻開(kāi)展了抗爆性能實(shí)驗(yàn)，圖12為鋼筋混凝土端面重墻及房屋，P21～P22為房屋磚墻外墻面兩側(cè)壁面超壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其曲線數(shù)據(jù)如圖13所示. 由于端面重墻翼墻結(jié)構(gòu)，P22測(cè)點(diǎn)超壓值低于P21測(cè)點(diǎn)，對(duì)比數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，壓力峰值相差較小，證明了軟件模擬的有效性.

圖12 折線型端面重墻結(jié)構(gòu)試驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)示意圖

圖13 房屋側(cè)墻測(cè)點(diǎn)(P21～P22)

3 結(jié) 論

針對(duì)易燃易爆等危險(xiǎn)化工品防護(hù)需求，設(shè)計(jì)了3種不同構(gòu)型的鋼筋混凝土端面重墻結(jié)構(gòu)，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的防爆土堤抗爆結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的土堤結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省大量占地面積，提高土地利用率，避免對(duì)生產(chǎn)廠房、倉(cāng)庫(kù)等建筑群設(shè)計(jì)形成掣肘. 端面重墻主墻可以有效地對(duì)沖擊波進(jìn)行反射，阻隔沖擊波的傳播，翼墻可以對(duì)繞射沖擊波進(jìn)行有效的阻隔，降低端面重墻后房屋側(cè)面沖擊波超壓峰值，并且通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，不同構(gòu)型的翼墻結(jié)構(gòu)對(duì)于沖擊波均有不同的防護(hù)效果，折線型翼墻結(jié)構(gòu)由于其兩個(gè)拐角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以起到更好的防護(hù)效果. 因此在實(shí)際應(yīng)用中，宜優(yōu)先選用折線型端面重墻結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波進(jìn)行防護(hù).