高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板在非接觸爆炸下的抗爆性能研究

汪 維 ,朱謝梅 ,李 磊 ,何 翔

（1.寧波大學(xué) 沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 寧波 315211;2.軍事科學(xué)院 國防工程研究院,河南 洛陽 471023;3.河南省特種防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471023）

橋梁是交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分,橋梁結(jié)構(gòu)在爆炸作用下會發(fā)生破壞甚至坍塌,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡.鋼筋混凝土單向板在橋梁的設(shè)計(jì)中使用廣泛,其抗爆性能對于橋梁爆炸事故分析和橋梁抗爆設(shè)計(jì)方面有重要作用.

目前,國內(nèi)外的研究主要集中于鋼筋混凝土雙向板抗爆性能的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究.盧紅標(biāo)等[1]通過高強(qiáng)RC 板與普通RC 板的對比試驗(yàn),分析了兩種板在非接觸爆炸下的動態(tài)響應(yīng)和破壞形態(tài),對比得出高強(qiáng)RC 板有更強(qiáng)的抗爆性能.陳萬祥等[2]對高強(qiáng)RC 板在不同配筋率下的抗爆性能進(jìn)行試驗(yàn),研究了配筋率對位移、加速度等動力響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)高配筋率的RC 板剛度更強(qiáng).侯小偉等[3]利用數(shù)值模擬方法,分析爆炸荷載作用下高強(qiáng)鋼筋混凝土板的裂縫分布和破壞特征,得到高強(qiáng)RC 板的裂縫分布相比普通RC 板更加均勻的結(jié)果.李曉軍等[4]設(shè)計(jì)了鋼纖維鋼筋混凝土板抗爆試驗(yàn),分析了不同的破壞特征,劃分出5 種典型的破壞類型.Guo 等[5]對粘合玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)條進(jìn)行抗爆試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)GFRP 條加固后雙向板的抗爆性能顯著提高.Zhao 等[6]應(yīng)用數(shù)值分析,評估得出新型RC 板的抗爆性能,并基于不同爆炸場景下對新型RC 板的抗爆性能進(jìn)行預(yù)測.

針對鋼筋混凝土單向板的抗爆設(shè)計(jì)研究,胡玉峰等[7]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)聚脲材料加固后的混凝土單向板的抗爆性能優(yōu)于鋼纖維加固后的單向板.吳志等[8]通過數(shù)值仿真研究了單向板在接觸爆炸下的動態(tài)破壞效應(yīng),驗(yàn)證由數(shù)值分析得到的單向板抗爆模型的準(zhǔn)確性.Wu 等[9]研究了加固高強(qiáng)纖維的鋼筋混凝土單向板的抗爆性能,證明高強(qiáng)纖維是一種有效的抗爆材料.以上試驗(yàn)或數(shù)值仿真都是在近距離接觸爆炸條件下進(jìn)行的,在對普通鋼筋混凝土單向板用不同材料加固進(jìn)行抗爆試驗(yàn)或數(shù)值研究中,分析材料的抗爆性能.

以往關(guān)于建筑材料中常用的鋼筋混凝土雙向板研究較多,但對于橋梁中廣泛使用的鋼筋混凝土單向板的研究相對較少,并且大部分RC 單向板的試驗(yàn)或數(shù)值仿真都是在近距離接觸爆炸的條件下進(jìn)行的,但是針對高強(qiáng)鋼筋加固的混凝土單向板的非接觸爆炸試驗(yàn)分析還很少.基于以上背景,本文對鋼筋混凝土單向板在非接觸爆炸作用下的抗爆性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析HRB400、HRB500和HTRB600 3 種高強(qiáng)鋼筋對鋼筋混凝土單向板抗爆性能的影響.

1 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)的研究目的是比較HRB400、HRB500 和HTRB600 3 種高強(qiáng)鋼筋加固后的高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板的抗爆性能,并評估3 種強(qiáng)度鋼筋對單向板的影響.

1.1 試件規(guī)格

為研究3 種不同類型的高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板的爆炸響應(yīng),共準(zhǔn)備6 塊高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板,使用3 種不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼筋,鋼筋牌號分別為HRB400、HRB500 和HTRB600.6 塊高強(qiáng)RC 單向板的尺寸相同,均為長1 800 mm、寬500 mm、高120 mm,配筋率為0.52%.6 塊高強(qiáng)RC 單向板試件用于非接觸爆炸下的抗爆試驗(yàn),各試件采用相同配筋方式.如圖1 所示,試件兩端配置直徑為Φ6的箍筋用于抗剪,中部受壓區(qū)未配置鋼筋.單向板試件的鋼筋混凝土強(qiáng)度為C40,混凝土覆蓋厚度為20 mm.

圖1 單向板試件配筋示意圖(單位: mm)

對6 塊高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板試件進(jìn)行編號,編號分別為B1～B6,表1 總結(jié)了RC 單向板的測試參數(shù)、鋼筋類型以及配筋率等信息.在試驗(yàn)過程中,使用3 種不同質(zhì)量的TNT 炸藥(1.7、2.1 和2.5 kg),同時(shí)保持爆距(炸藥底部和試件頂部之間的距離)恒為1.5 m,比例爆距(單位: 距離·炸藥質(zhì)量-1/3)為1.26、1.17 和1.11 m·kg-1/3,分析高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板在非接觸爆炸下的抗爆性能.

表1 單向板試件的測試參數(shù)、鋼筋類型與配筋率

1.2 試件材料力學(xué)性能

各組試件設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了3 個(gè)邊長150 mm 的立方體混凝土塊,對其進(jìn)行單軸壓縮測試,測得各組混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為47.03 MPa.各組試件采用公稱直徑為Φ8 的高強(qiáng)鋼筋,不同類型的高強(qiáng)鋼筋材料性能不同,屈服強(qiáng)度的變化范圍為432～605 MPa,抗拉強(qiáng)度的變化范圍為618～823 MPa.各組單向板試件的高強(qiáng)鋼筋的實(shí)測材料力學(xué)性能參數(shù)見表2.

表2 鋼筋實(shí)測材料力學(xué)性能參數(shù)

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中使用TNT 炸藥.試件的安裝和加載方式如圖2 所示.將單塊炸藥組合并捆綁為近立方體形狀,炸藥質(zhì)量分別為1.7、2.1 和2.5 kg.炸藥用輕繩懸掛至設(shè)定距離,方形炸藥底面與板塊的表面平行.3 根木條固定炸藥,將炸藥懸空放置,并保證炸藥中心在試件中心的正上方.為研究高強(qiáng)鋼筋混凝土單向板的非接觸抗爆性能,炸藥底面到測試試件表面的距離設(shè)定為1.5 m.

圖2 試件的安裝和加載方式

每個(gè)試件都在爆坑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),試件采用兩邊簡支方式支撐在爆坑內(nèi).在兩端支撐部位用地腳螺栓進(jìn)行約束,保證支撐點(diǎn)只能轉(zhuǎn)動,不能跳起,防止試件反彈.試件上表面與地面平齊,保證炸藥產(chǎn)生的爆炸空氣沖擊波直接作用在試件上表面,試件周圍用沙袋和回填土填充.由此,試件上表面僅受到空氣沖擊波加載,同時(shí)避免試件出現(xiàn)橫向移動,而土中壓縮波對試件側(cè)面的影響可以忽略.

2 破壞形態(tài)與分析

2.1 HRB400 鋼筋加固單向板的破壞形態(tài)

HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件在TNT 裝藥量為1.7 kg 的條件下進(jìn)行試驗(yàn),試件與炸藥之間的距離為1.5 m,比例爆距為1.26 m·kg-1/3.試驗(yàn)完畢后,試件B1和試件B2的側(cè)表面出現(xiàn)多條裂縫,說明在爆炸荷載作用下單向板發(fā)生了整體響應(yīng),記錄試件的跨中位移時(shí)程曲線如圖3 所示.對可觀察到的裂縫進(jìn)行標(biāo)記,試件破壞情況如圖4 所示.試件B1出現(xiàn)9 條裂縫.在單向板的中間部分出現(xiàn)3 條深度很大的裂縫,這些裂縫的深度基本達(dá)到了單向板深度的2/3,其中1 條裂縫直接貫穿單向板的拉伸側(cè)和受壓側(cè),出現(xiàn)彎曲破壞.在爆炸載荷作用下,短時(shí)間內(nèi)鋼筋混凝土單向板的中部區(qū)域受到強(qiáng)沖擊波作用,導(dǎo)致試件中部受壓區(qū)域出現(xiàn)反彈,產(chǎn)生直接貫穿裂縫.同時(shí),由于爆炸荷載作用,單向板試件發(fā)生偏轉(zhuǎn)和振動,超過試件的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生了彎曲開裂,因此在板的前后1/3 處觀察到彎曲開裂,出現(xiàn)6 條彎曲破壞裂縫.試件B2 一共觀察到8條裂縫,分別是位于中間部分3 條深度很大的彎曲破壞裂縫、單向板前后1/3 處4 條深度較小的彎曲破壞裂縫和1 條貫穿拉伸側(cè)和受壓側(cè)的直接貫穿裂縫.試件B1和試件B2在兩端簡支處均沒有任何可觀察到的剪切裂縫,說明未出現(xiàn)剪切破壞.值得注意的是,盡管HRB400 加固的2 塊試件在爆炸荷載整體響應(yīng)后,側(cè)面出現(xiàn)多條裂縫,但是試件整體保持完好,且只發(fā)生彎曲破壞,表明HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件有一定的抗爆和抗沖擊能力.

圖3 試件跨中位移—時(shí)程曲線

圖4 HRB400 加固的試件側(cè)面破壞情況

試驗(yàn)過程中,試件中部出現(xiàn)1條拉伸側(cè)與受壓側(cè)貫穿裂縫,主要是由于試件中部受壓區(qū)沒有配置鋼筋,且兩端簡支,造成試件中部在受壓彎曲后,產(chǎn)生反向變形成貫穿裂縫.在爆炸荷載作用下,試件首先將動能以彈性勢能形式儲存在高強(qiáng)鋼筋中,在板的回彈階段又以動能形式進(jìn)行猛烈釋放.試件出現(xiàn)彎曲破壞,產(chǎn)生貫穿裂縫.試驗(yàn)結(jié)束后,從試件B1 和B2 的曲線(圖3)也可以看出,位移增長之后出現(xiàn)反彈,壓區(qū)混凝土受壓之后產(chǎn)生拉伸應(yīng)變.

爆炸荷載作用下,試件在短時(shí)間內(nèi)受到高強(qiáng)荷載作用,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化快,產(chǎn)生反彈效應(yīng).同樣也可以從撓度曲線得出結(jié)果,在受壓作用的短時(shí)間內(nèi),結(jié)構(gòu)首先沿著受壓方向產(chǎn)生向下的撓度,此時(shí)彈性應(yīng)變能儲存在RC 單向板的鋼筋中.此后,在短時(shí)間內(nèi),儲存的彈性應(yīng)變能在試件回彈階段迅速釋放,產(chǎn)生較大的反向應(yīng)變,增加了RC 單向板的回彈撓度,出現(xiàn)回彈偏轉(zhuǎn),即為跨中位移的反彈現(xiàn)象.

2.2 HRB500 鋼筋加固單向板的破壞形態(tài)

HRB500 高強(qiáng)RC 單向板在TNT 藥量2.1 kg 的條件下進(jìn)行試驗(yàn),試件與炸藥之間的距離為1.5 m,比例爆距為1.17 m·kg-1/3.試驗(yàn)完畢后,試件B3 和B4 在側(cè)表面出現(xiàn)裂縫,表面試件發(fā)生整體響應(yīng),對可觀察到的裂縫進(jìn)行標(biāo)記,試件破壞情況如圖5所示.試件B3 中部出現(xiàn)4 條深度很大的裂縫,這些裂縫的深度幾乎都達(dá)到了板深度的2/3,深度最大的1條裂縫位于跨中,貫穿試件的拉伸側(cè)和受壓側(cè),其余2 條為彎曲破壞裂縫.在單向板長度方向的前后1/3 處,產(chǎn)生2 條深度較小彎曲破壞裂縫.試件B4 中部也同樣出現(xiàn)4 條深度很大的裂縫,其中1 條深度最大的裂縫位于跨中,其余3 條為彎曲破壞裂縫,并在單向板的前后1/3 處觀察到6 條深度較小的彎曲破壞裂縫.綜上,試件B3 一共出現(xiàn)6條裂縫,試件B4 一共出現(xiàn)10 條裂縫,且在兩端簡支處均未出現(xiàn)剪切裂縫,說明未出現(xiàn)剪切破壞.此外,雖然HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件沿高度方向出現(xiàn)多條彎曲破壞裂縫,但是試件整體保持完好.對比低藥量下進(jìn)行抗爆試驗(yàn)HRB400 鋼筋加固的單向板試件B1、B2,HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件B3、B4 受到的爆炸荷載更大,但破壞形態(tài)和裂縫數(shù)量并沒有出現(xiàn)明顯變化,表明HRB500 高強(qiáng)RC單向板試件比HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件有更好的抗爆和抗沖擊能力.

圖5 HRB500 加固的試件側(cè)面破壞情況

2.3 HTRB600 鋼筋加固單向板的破壞形態(tài)

HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件在TNT 藥量為2.5 kg 的條件下進(jìn)行試驗(yàn),試件與炸藥之間距離為1.5 m,比例爆距為1.11 m·kg-1/3.試驗(yàn)完畢后,試件B5 和B6 在側(cè)表面出現(xiàn)裂縫,說明試件在爆炸荷載下整體響應(yīng),對可觀察到的裂縫進(jìn)行標(biāo)記,試件破壞情況如圖6 所示.試件B5 中部出現(xiàn)4 條深度很大的裂縫,這些裂縫的深度幾乎都達(dá)到單向板高度的2/3,其中深度最大的1條裂縫位于跨中,直接貫穿試件的拉伸側(cè)和受壓側(cè),其余3 條為彎曲破壞裂縫.在單向板前后1/4 處觀察到5 條深度不大的彎曲破壞裂縫.試件B6 中部出現(xiàn)4 條深度很大的裂縫,其中1 條深度最大的裂縫位于跨中,其余3條為彎曲破壞裂縫.在單向板前后1/3 處觀察到3條深度不大的彎曲破壞裂縫.綜上,試件B5 一共出現(xiàn)9 條裂縫,試件B6 一共出現(xiàn)7 條裂縫,且在兩端簡支處均未出現(xiàn)明顯剪切裂縫,說明未出現(xiàn)剪切破壞.此外,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件雖然出現(xiàn)多條裂縫,但是試件整體保持完好,對比低藥量下進(jìn)行試驗(yàn)的HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件B1、B2 以及HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件B3、B4,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件B5、B6 承受的爆炸載荷更大,但破壞模式和裂縫數(shù)量并沒有較大區(qū)別,表明HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件對比HRB 400 和HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件有更好的抗爆性能和抗沖擊能力.

圖6 HTRB600 鋼筋加固的試件側(cè)面破壞情況

3 破壞參數(shù)及曲線分析

3.1 裂縫數(shù)量

試驗(yàn)結(jié)束后,在各試件側(cè)面上觀察到不同深度的彎曲破壞裂縫.根據(jù)裂縫深度的不同,試件上出現(xiàn)3 種不同類型的裂縫: 輕度破壞裂縫(裂縫深度≤40 mm)、中度破壞裂縫(40 mm＜裂縫深度≤80 mm)、重度破壞裂縫(80 mm＜裂縫深度≤120 mm).各種類型裂縫的破壞特征如圖7 所示.對各個(gè)試件上可觀察到的裂縫進(jìn)行標(biāo)記,并統(tǒng)計(jì)3 種類型裂縫的數(shù)量(表3).

表3 各試件爆炸后的裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

圖7 裂縫破壞深度示意圖

根據(jù)TNT 裝藥質(zhì)量不同進(jìn)行分類,分析不同裝藥量下3 種類型裂縫數(shù)量的平均值,結(jié)果如圖8所示.比較2.1 kg TNT 裝藥量下HRB500 高強(qiáng)RC單向板試件B3、B4與1.7 kg TNT裝藥量下HRB400高強(qiáng)RC 單向板試件B1、B2,在裝藥量增加0.4 kg時(shí),輕度破壞平均裂縫數(shù)量相同,中度破壞平均裂縫數(shù)量減少了1 條,重度破壞平均裂縫數(shù)量相同.可見隨著裝藥量增加,2 組試件3 種類型的平均裂縫數(shù)基本保持一致,承受更大爆炸載荷的HRB500高強(qiáng)RC 單向板試件與HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件具有相似的破壞形態(tài),HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件在承受更大載荷的情況下具有更好的抗爆性能.同樣對比2.5 kg 裝藥量下HTRB600 高強(qiáng)RC單向板試件B5、B6 與2.1 kg 裝藥量下HTRB600高強(qiáng)RC 單向板試件B3、B4,在裝藥量增加0.4 kg情況下,輕度破壞平均裂縫與重度破壞平均裂縫相同,但重度平均破壞裂縫增加了1 條.雖然TNT裝藥量增加0.4 kg,但2 組試件3 種類型的平均裂縫數(shù)基本保持一致,部分有所差別但不顯著,承受更大爆炸載荷的HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件與HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件具有類似的破壞形態(tài),可見HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件擁有更好的抗爆性能.

圖8 不同類型的平均裂縫數(shù)隨裝藥量的變化曲線

不同裝藥量下,不同高強(qiáng)鋼筋類型試件的平均裂縫數(shù)如圖9 所示.隨著TNT 裝藥量的增加,HRB500高強(qiáng)RC單向板試件對比HRB400高強(qiáng)RC單向板試件的平均裂縫數(shù)減少了1 條,HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件與HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件平均裂縫數(shù)相同.在裝藥量質(zhì)量不斷增加情況下,試件承受的爆炸載荷增加,不同鋼筋類型加固試件在試驗(yàn)后的平均彎曲裂縫數(shù)無顯著差異,說明板的抗彎強(qiáng)度隨著鋼筋強(qiáng)度而增加,高強(qiáng)鋼筋試件整體抗彎承載力增加.由此可見,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件的抗爆性能最優(yōu),HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件的抗爆性能較優(yōu),HRB400 高強(qiáng)RC單向板試件的抗爆性能一般.

圖9 總平均裂縫數(shù)隨裝藥量的變化曲線

3.2 加速度峰值

測得各組試件的平均加速度曲線如圖10 所示.當(dāng)TNT 裝藥量為1.7 kg 時(shí),HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件B1、B2 的平均加速度峰值為27 890 m·s-2;當(dāng)TNT 裝藥量為2.1 kg 時(shí),HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件B4、B5 的平均加速度峰值為36 220 m·s-2.由此可見,HRB500 高強(qiáng)RC 單向板在2.1 kgTNT 爆炸荷載作用下有更大的加速度峰值,能保持更強(qiáng)剛度,可承受更大的爆炸載荷.而HRB400 鋼筋加固的單向板在爆炸荷載作用下的抗振能力弱,耗能多,剛度較低.繼續(xù)增加0.4 kg 裝藥量,即TNT裝藥量增加至2.5 kg,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板試件B5、B6 的平均加速度峰值為52 570 m·s-2.因此,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板在更高爆炸荷載作用下可維持更好的剛度,抵抗更大的振動.相比較來說,B5、B6 試件的平均加速度峰值分別為B1、B2 試件平均加速度峰值的88.6%,為B4、B5 試件平均加速度峰值的45.1%.綜上,在3 種不同類型的高強(qiáng)鋼筋加固試件中,HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板的剛度最大,抗爆性能最好;HRB500 高強(qiáng)RC 單向板的剛度較大,抗爆性能較好;HRB400 高強(qiáng)RC 單向板的剛度不大,抗爆性能一般.

圖10 加速度時(shí)程曲線

4 結(jié)論

對鋼筋類型不同的鋼筋混凝土單向板在不同裝藥量下進(jìn)行了非接觸爆炸試驗(yàn),分析了爆炸破壞參數(shù)、特征曲線以及抗爆性能,主要結(jié)論有:

(1)分別在1.26、1.17 和1.11 m·kg-1/3的比例爆距下承受爆炸載荷,測試所有高強(qiáng)RC 試件整體響應(yīng),測試完畢后,除側(cè)面出現(xiàn)彎曲破壞裂縫,其余未觀察到明顯損傷,所有試件整體保持完好.由于試件在爆炸荷載作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)和振動,超過試件的抗拉強(qiáng)度,側(cè)面出現(xiàn)多條彎曲破壞裂縫.跨中區(qū)域由于反彈出現(xiàn)一條貫穿試件拉伸側(cè)和壓縮側(cè)的裂縫.大多數(shù)裂縫集中于板中間2/3 跨度,且在兩簡支端未觀察到剪切破壞裂縫.

(2)只改變裝藥量,分別在1.7、2.1 和2.5 kg 的TNT 藥量下承受爆炸載荷.在承受2.5 kg 的TNT爆炸載荷時(shí),HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板總裂縫數(shù)與承受2.1 kg TNT 作用的HRB500 高強(qiáng)RC 單向板試件、承受1.7 kg TNT 作用的HRB400 高強(qiáng)RC 單向板試件基本保持一致,輕度、中度以及重度破壞的平均彎曲破壞裂縫數(shù)有所差別,但不顯著,保持在1 條裂縫差距之內(nèi).

(3)在非接觸爆炸作用下,承受2.5 kg TNT 爆炸荷載時(shí),HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板的破壞程度以及裂縫數(shù)量與承受2.1 kgTNT的HRB500 鋼筋加固的RC 單向板和承受1.7 kgTNT 的HRB400 高強(qiáng)RC單向板類似,說明HTRB600 高強(qiáng)鋼筋的抗彎承載力更好.HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板平均加速度峰值較HRB500、HRB400 高強(qiáng)RC 單向板分別增加45.1%和88.6%.說明HTRB600 高強(qiáng)RC 單向板剛度更高,抗震能力強(qiáng),是一種更有效的抗爆加固方式.