沖擊荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房墻面板加固技術(shù)研究

張 偉，王子聰,，高永紅，辛 凱，張 昭，段亞鵬,

(1.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 洛陽, 471023;2.軍事科學(xué)院 國防工程研究院, 河南 洛陽, 471023)

0 引言

近年來，隨著我國鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用水平的提高和環(huán)保意識的增強(qiáng)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房因施工快、維修易、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域工業(yè)廠房中?，F(xiàn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)時(shí)一般對廠房抗震分析較多，其水平向荷載考慮較少。在考慮廠房抗震設(shè)計(jì)時(shí)，通常只針對地震橫波[1-3]，在地震中，柱間支撐因水平震動出現(xiàn)斜桿扭曲從而發(fā)生結(jié)構(gòu)整體性破壞或節(jié)點(diǎn)處螺栓遭到破壞，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與傳力途徑遭到破壞，會對鋼結(jié)構(gòu)廠房產(chǎn)生嚴(yán)重破壞；同時(shí)，如果因?yàn)閯×艺饎訉?dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)柱腳與混凝土基礎(chǔ)連接部位產(chǎn)生開裂，將破壞建筑應(yīng)力傳遞，導(dǎo)致建筑整體性垮塌。在實(shí)際工程中，有針對建筑結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量、支撐系統(tǒng)抗震布置、鋼結(jié)構(gòu)柱腳的連接點(diǎn)等多種抗震設(shè)計(jì)。但針對大面積水平向動荷載的抗震設(shè)計(jì)較少，通常在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮一定強(qiáng)度的風(fēng)荷載。目前，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)對爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊荷載認(rèn)識不足、考慮不夠，隨著裝配式工業(yè)廠房被廣泛應(yīng)用，諸如天津港爆炸事件所產(chǎn)生的沖擊波毀傷后果，在未來將被考慮進(jìn)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中。爆炸沖擊荷載傳播較為復(fù)雜[4]，通過增大結(jié)構(gòu)厚度、強(qiáng)度來提升建筑整體抗爆水平，不僅增大了建筑成本，也加大了施工難度。文獻(xiàn)[5]通過在近距空爆載荷下迎爆面鋼板背部涂裝聚脲材料來增加鋼板的抗爆性能。文獻(xiàn)[6]通過對噴涂了聚脲的鋼制罐體進(jìn)行抗爆性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，得出了聚脲優(yōu)秀的抗爆性能及普通鋼板在受沖擊荷載時(shí)的毀傷后果。為探究經(jīng)濟(jì)有效適用于工業(yè)廠房的抗強(qiáng)沖擊荷載加固方式，本文利用鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房原型模型，進(jìn)行一定當(dāng)量三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)室外爆炸試驗(yàn)來獲得加固型廠房的毀傷后果。

1 空氣沖擊波基本理論

主要成分為TNT的炸藥在不同場景下爆炸，其沖擊波傳播規(guī)律也有所不同[7]。例如，炸藥在空中爆炸、近地爆炸和有限空間中內(nèi)爆炸，其沖擊波的傳播及衰減規(guī)律均有所不同。

1.1 自由場爆炸

炸藥在自由場爆炸時(shí)，沖擊波在空氣中呈球狀傳播，對周圍空氣進(jìn)行壓縮[8-10]，同時(shí)產(chǎn)生稀疏波，傳入爆轟產(chǎn)物內(nèi)部，使內(nèi)部壓力下降，故在觀測時(shí)可見到?jīng)_擊波在達(dá)到峰值后，迅速衰減至負(fù)壓，空氣沖擊波強(qiáng)度隨傳播距離增大而迅速衰減[11]。球形TNT在自由場無限介質(zhì)中爆炸時(shí)，沖擊波超壓峰值可按式(1)和式(2)計(jì)算[12]：

(1)

(2)

1.2 近地爆炸

當(dāng)裝藥接觸地面爆炸或在地面上方高度為H時(shí)爆炸，為近地爆炸，近地爆炸能量先按球形擴(kuò)散，當(dāng)爆炸能量接觸到地面時(shí)產(chǎn)生反射波[6]，此時(shí)可近似按半球狀分布。反射波在入射波產(chǎn)生后，在擾動的流場中進(jìn)行傳播，其速度一般大于入射波傳播速度，隨著傳播距離的增大，反射波會追上入射波形成馬赫反射。近地爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓峰值受裝藥的組合模式、地面堅(jiān)硬程度、裝藥距地面高度等多重因素的影響，土體越軟，其吸收的沖擊波越大，土體越硬，其反射的沖擊波越大?！侗瓢踩?guī)程》[13]中給出了平坦地形中爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓峰值計(jì)算公式：

(3)

其中：ΔP為入射沖擊波超壓峰值，kPa；Q為TNT當(dāng)量，秒延時(shí)爆炸為最大一段當(dāng)量，毫秒延時(shí)為總藥量，kg；R為爆心至觀測點(diǎn)距離，m。

在覆土彈藥庫安全距離的關(guān)鍵因素分析[14]中，以美國國防部《彈藥和火炸藥安全標(biāo)準(zhǔn)》[15]中1.1級整體爆炸為例，得到入射沖擊波超壓峰值擬合式：

(4)

其中：ΔP為入射沖擊波超壓峰值，kPa；Q為TNT當(dāng)量，kg；R為爆心至觀測點(diǎn)距離，m。

1.3 試驗(yàn)強(qiáng)沖擊荷載峰值預(yù)測

爆炸原型試驗(yàn)危險(xiǎn)系數(shù)高，費(fèi)用高且不易復(fù)制，建筑不易修復(fù)。故試驗(yàn)前需要精準(zhǔn)預(yù)測爆炸所產(chǎn)生沖擊荷載峰值，避免造成人員損傷、周圍建筑財(cái)產(chǎn)損失或因沖擊荷載過大導(dǎo)致試驗(yàn)失敗等后果。有限元模型采用無限流域自由場爆炸來模擬沖擊荷載對模型的毀傷后果，通過對式(1)～式(4)分析，得到20 kg TNT不同距離爆炸下產(chǎn)生的沖擊荷載超壓峰值，如圖1所示。

圖1 入射沖擊波超壓峰值

通過分析可知，自由場爆炸產(chǎn)生沖擊荷載峰值在爆距小于40 m時(shí)與近地爆炸誤差較大，若模擬為自由場爆炸，且起爆點(diǎn)置于模型外40 m內(nèi)，應(yīng)根據(jù)模擬得出自由場爆炸產(chǎn)生的沖擊波荷載峰值，代入式(3)和式(4)，利用比例爆距換算得出現(xiàn)場試驗(yàn)近地爆炸時(shí)的炸藥起爆距離。式(3)與式(4)在爆距大于20 m時(shí)計(jì)算得到?jīng)_擊荷載峰值較為接近，試驗(yàn)時(shí)可考慮將TNT置于20 m外，通過計(jì)算減小試驗(yàn)誤差。

2 試驗(yàn)

2.1 模型建立

選取典型裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，試驗(yàn)建筑模型為門式鋼架結(jié)構(gòu)，廠房內(nèi)部設(shè)有吊車梁，因該工程為破壞性臨時(shí)試驗(yàn)，故設(shè)計(jì)時(shí)不考慮其防火要求。廠房鋼架柱、主梁采用Q355B型鋼，焊接構(gòu)件鋼材為Q235B，螺栓采用10.9級高強(qiáng)螺栓。廠房建筑總高7.75 m，長9 m，寬6 m，試驗(yàn)廠房建筑模型及場地如圖2所示，圖2a為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼⒚媸疽鈭D，圖2b為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)立面示意圖，圖2c為現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D。

(a) 正立面

廠房模型分為普通彩鋼板模型(工況一)及節(jié)鎳型不銹鋼板材模型(工況二)。節(jié)鎳型不銹鋼具有成型性能優(yōu)異、耐時(shí)效開裂性能良好、焊接性能優(yōu)秀、抗菌性能優(yōu)秀等優(yōu)點(diǎn)[16-18]，節(jié)鎳型不銹鋼中錳元素使材料更穩(wěn)定，更好地提升了不銹鋼的強(qiáng)度?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，工況二選擇采用厚度2 mm節(jié)鎳型不銹鋼板材與厚度2 mm普通鋼板混用的方式進(jìn)行試驗(yàn)，目的是研究當(dāng)墻面板未受破壞時(shí)，對其廠房骨架的破壞程度分析。

根據(jù)前期原型裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房試驗(yàn)結(jié)果，原型廠房在受7.39 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，廠房迎爆面彩鋼板及廠房內(nèi)部主要骨架、檁條未發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象。在受17.57 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，迎爆面彩鋼板發(fā)生凹陷，迎爆面彩鋼板螺栓連接處發(fā)生撕裂破壞，導(dǎo)致迎爆面彩鋼板發(fā)生脫落，圖3a和圖3b為迎爆面彩鋼板受毀傷后脫落圖，圖3c為迎爆面彩鋼板螺栓連接處發(fā)生撕裂破壞圖。

(a) 原型廠房A

根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，提出了增大彩鋼板與檁條螺栓連接處接觸面積的方式來增大彩鋼板承受的橫向強(qiáng)沖擊荷載。選取在螺栓連接處施加墊片或用鋼帶使同一水平線上的螺栓均勻受力并提高螺栓連接處的接觸面積及接觸面的剛度。鋼帶選取厚度2 mm、寬度25 mm的Q235B型鋼，墊片選取外徑25 mm、內(nèi)徑6 mm、厚度2 mm普通墊片，分別安裝在原型廠房模型不同部位上。工況一采用普通0.476 mm厚彩鋼板，在迎爆面上部彩鋼板與檁條螺栓連接處采用加墊片的加固方式，中部采用普通螺栓連接方式，下部采用加鋼帶的加固方式，以此來進(jìn)行不同加固方式的對比試驗(yàn)。加固后廠房工況一試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示，圖4a為加墊片彩鋼板加固模型，圖4b為普通彩鋼板未加固模型，圖4c為加鋼帶彩鋼板加固模型。

(a) 加墊片處

工況二試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎霉?jié)鎳型不銹鋼與2 mm厚普通鋼板混用的設(shè)計(jì)，下部鋼板與檁條連接方式為焊接，中部連接方式為在螺栓連接處加墊片的方式，上部為普通螺栓連接。工況二試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 工況二試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 荷載工況

裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房原型試驗(yàn)為造價(jià)高的破壞性試驗(yàn)，一旦結(jié)構(gòu)因受過強(qiáng)沖擊荷載導(dǎo)致整體嚴(yán)重破壞，將無法進(jìn)行毀傷后果評估，后續(xù)試驗(yàn)也無法開展，且修復(fù)模型也存在費(fèi)用高、時(shí)間長等問題，故需嚴(yán)格控制模型所受沖擊荷載峰值。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，計(jì)劃實(shí)施兩次沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)一采用弱沖擊荷載約8 kPa來進(jìn)行模型測試，試驗(yàn)二采用26 kPa左右強(qiáng)沖擊荷載，約為墊片部位破壞臨界值。觀察試驗(yàn)結(jié)果，評估毀傷后果評估分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 模型破壞過程

試驗(yàn)開始前需進(jìn)行準(zhǔn)備工作，連接傳感器并進(jìn)行調(diào)試，檢查線路是否暢通，連接觸發(fā)線。將所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行平衡清零并進(jìn)行觸發(fā)調(diào)試，確保信號暢通并能自動保存數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備就緒后到達(dá)安全位置準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)一進(jìn)行完畢后讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)并保存，加固型廠房在弱沖擊荷載作用下，廠房毀傷后果如圖6所示。如圖6a、圖6b和圖6c所示，廠房整體在受9.74 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，工況一加鋼帶部位彩鋼板凹陷程度明顯大于加墊片處與無加固彩鋼板，分析原因?yàn)殇搸拗屏瞬输摪逭饎?，?dǎo)致彩鋼板中心位置位移變形增大。廠房3個(gè)部位彩鋼板均無明顯破碎，墻面螺栓也無脫落現(xiàn)象。工況二廠房迎爆面鋼板無破壞。觀察廠房內(nèi)部，兩種工況內(nèi)部主要承重骨架、檁條等均未發(fā)現(xiàn)毀傷現(xiàn)象。

(a) 工況一加墊片處

試驗(yàn)二進(jìn)行完畢后讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)并保存，加固型廠房在強(qiáng)沖擊荷載作用下，毀傷后果如圖7所示。如圖7a所示，加固型廠房在受到峰值為26.25 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，工況一加墊片處彩鋼板約一半墊片及螺栓發(fā)生脫落；如圖7b所示，中部普通無加固彩鋼板處，所有螺栓均脫落，墻面彩鋼板發(fā)生撕裂現(xiàn)象，與前期試驗(yàn)結(jié)果一致；如圖7c所示，下部加鋼帶處彩鋼板所有鋼帶均未脫落，鋼帶兩邊邊緣部位發(fā)生輕微彎曲翹起，與模擬結(jié)果相一致，墻面彩鋼板未發(fā)現(xiàn)撕裂破壞現(xiàn)象，其凹陷程度較試驗(yàn)一有所增大，部分彩鋼板受沖擊波傳播后產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)影響而發(fā)生突起；工況一內(nèi)部毀傷后果如圖7d所示；如圖7e所示，工況二廠房墻面鋼板上、中部均發(fā)生脫落現(xiàn)象，下部鋼板因用焊接方式，較為牢固未脫落。

(a) 工況一加墊片處

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對比兩種工況、兩次試驗(yàn)結(jié)果，可以得到用加大螺栓連接部位接觸面積或剛度的方式，使螺栓均勻受力，共同抵抗強(qiáng)沖擊荷載的猜想是切實(shí)有效的。通過不同加固方式，得到了不同的廠房整體毀傷后果，對墻面板進(jìn)行加固，強(qiáng)沖擊荷載可通過墻面板將荷載傳遞到檁條上。由圖7d可以看出，因墻面彩鋼板未發(fā)生脫落，荷載傳遞至檁條后造成了嚴(yán)重的毀傷后果，其彎曲變形較大，部分檁條出現(xiàn)因連接部位斷裂而脫落現(xiàn)象。由圖7e可以看出，廠房中部檁條跨中部位發(fā)生彎曲破壞，因墻面鋼板脫落，荷載傳遞不完全，從而檁條變性破壞程度較小。

分析圖6可知，普通螺栓連接處抵御9.74 kPa沖擊荷載時(shí)，迎爆面彩鋼板雖發(fā)生不同程度變形，但未發(fā)生破碎或撕裂等破壞情況，廠房內(nèi)骨架也無明顯損傷。加墊片處在受26.25 kPa強(qiáng)沖擊荷載后，約一半墊片脫落，螺栓連接失效，與模擬結(jié)果大致一致。加鋼帶處未發(fā)生脫落破壞現(xiàn)象，加固效果較好。彩鋼板除連接處外未發(fā)現(xiàn)破碎現(xiàn)象，說明現(xiàn)行彩鋼板能夠抵御26.25 kPa強(qiáng)沖擊荷載而不破壞。兩種工況廠房墻面板在使用不同材料、不同加固方法受到強(qiáng)沖擊荷載后，鋼板、檁條均發(fā)生了不同程度破壞，但內(nèi)部鋼架柱、主梁、吊車梁等未出現(xiàn)彎曲或其他破壞現(xiàn)象，混凝土基礎(chǔ)也未發(fā)生裂紋。

4 有限元模擬

4.1 有限元模型

采用ANASYS/LS-DYNA建模，進(jìn)行數(shù)值仿真研究。裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房未加固模型原型試驗(yàn)已在前期完成，試驗(yàn)結(jié)果表明：現(xiàn)行廠房在受到強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，墻面彩鋼板會發(fā)生劇烈震動，當(dāng)沖擊荷載值過大時(shí)，墻面彩鋼板與檁條螺栓連接處會因震動發(fā)生撕裂破壞，從而無法將荷載持續(xù)傳遞到柱、梁等骨架上，骨架結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞?？紤]到軟件模擬計(jì)算的局限性，擬采用廠房墻面板局部模型進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

選取廠房墻面板局部墻面，分別模擬普通彩鋼板、在螺栓連接處加墊片、在螺栓連接處加鋼帶3種工況下彩鋼板受強(qiáng)沖擊荷載時(shí)的毀傷效應(yīng)。墊片模型外徑25 mm、內(nèi)徑6 mm、厚度2 mm，鋼帶模型厚度2 mm、寬度25 mm。3種工況模型如圖8所示。圖8a為未加固彩鋼板模型，圖8b為螺栓處加墊片彩鋼板模型，圖8c為螺栓處同一水平高度加貫穿鋼帶彩鋼板模型。

(a) 普通彩鋼板

模型中檁條、螺栓采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，單元采用Lagrange網(wǎng)格，試驗(yàn)中檁條固定在鋼柱檁托上，且在前期原型試驗(yàn)中得出檁條無顯著變形或其他破壞，因此在數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)中將檁條、螺栓定義為剛性體，邊界條件設(shè)置為四周剛固。模型中空氣域、炸藥采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建模，單元采用ALE算法，鋼板、墊片、鋼帶采用SOLID163殼單元建模，單元采用Lagrange算法。結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間接觸采用Asts處理，模型采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字，用罰耦合與運(yùn)動約束等算法來實(shí)現(xiàn)流固耦合，計(jì)算炸藥對結(jié)構(gòu)的作用。炸藥模型中空氣域6個(gè)邊界均設(shè)置為無反射，通過模擬無限流域來模擬爆炸沖擊波在自由場中的傳播，以此來減少計(jì)算復(fù)雜度。

4.2 材料模型及參數(shù)

模型中空氣模型關(guān)鍵字采用*MAT_NULL材料模型及*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，空氣單元狀態(tài)方程為[19]:

P=C0μ+C1μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E；

(5)

μ=(1/V1)-1，

(6)

其中：P為計(jì)算氣體壓強(qiáng)，Pa；C0～C6為空氣狀態(tài)參數(shù)，其中C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4;E為氣體內(nèi)能，Pa，取值2.5×105；V1為相對體積，取值1.0.

炸藥材料模型采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及多項(xiàng)式方程*EOS_JWL，狀態(tài)方程表示為[19]：

(7)

其中：P為壓力，Pa；A、B、R1、R2均為炸藥材料參數(shù)，其值分別為3.712×1011、3.23×109、4.15、0.95；E為炸藥單位體積內(nèi)能，取值7×109Pa；V為相對體積，取值1.0。

鋼板、墊片、鋼帶材料模型采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其材料本構(gòu)方程表達(dá)式為[20-21]：

(8)

其中：σ*為標(biāo)準(zhǔn)化等效應(yīng)力，Pa；ε*為應(yīng)變率,s-1；T*為溫度，℃。

鋼材材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋼材材料參數(shù)

4.3 有限元模擬結(jié)果及分析

在前期裝配式鋼結(jié)構(gòu)廠房原型試驗(yàn)中得到廠房受強(qiáng)沖擊荷載時(shí)的毀傷后果，試驗(yàn)結(jié)果表明：現(xiàn)行廠房在受7.39 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)迎爆面彩鋼板發(fā)生局部凹陷但未損壞或脫落；在受到17.57 kPa強(qiáng)沖擊荷載時(shí)迎爆面彩鋼板螺栓連接處發(fā)生撕裂破壞，導(dǎo)致彩鋼板脫落。

模擬一采用1 kg TNT距3種工況彩鋼板中心外15 m爆炸，隨后距離逐步減少，直至3種工況都破壞為止。有限元模型模擬結(jié)果如表2所示。有限元模擬結(jié)果如圖9所示，圖9a為普通未加固彩鋼板受12.37 kPa沖擊波時(shí)破壞毀傷結(jié)果圖，圖9b為加墊片彩鋼板受23.56 kPa沖擊波時(shí)破壞毀傷結(jié)果圖，圖9c為加鋼帶彩鋼板受34.48 kPa沖擊波時(shí)破壞毀傷結(jié)果圖。由圖9可知:未加固彩鋼板在受強(qiáng)沖擊荷載時(shí)，其墻面板與螺栓連接處產(chǎn)生破碎面積較小，但抵御沖擊波能力較差，較為容易失去防護(hù)遮蔽能力；在墻面板與螺栓連接處加墊片的加固方式下，其墻面板抵御強(qiáng)沖擊荷載的能力有顯著提高，但一旦達(dá)到極限荷載，墻面板破碎面積也會明顯增加，在實(shí)際工程中可能會導(dǎo)致墻面板整體破碎，造成鋼板碎片飛濺，從而威脅結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員設(shè)備安全；若采用加鋼帶的加固方式，其抗強(qiáng)沖擊荷載能力最強(qiáng)，同時(shí)其破壞形式表現(xiàn)為鋼帶脫落、螺栓脫落，墻面板并無嚴(yán)重破碎，綜合來看其防護(hù)能力最強(qiáng)，更加適用于工程實(shí)際當(dāng)中，但考慮到不同加固方式其成本、施工難度不同，在實(shí)際工程中可根據(jù)不同情況擇優(yōu)選取。

表2 有限元模型模擬結(jié)果

(a) 普通彩鋼板

圖10為在相同藥量不同爆距下沖擊波作用各工況模型沖擊波時(shí)程曲線。由圖10可知：加鋼帶模型其抗強(qiáng)沖擊荷載極限值遠(yuǎn)大于未加固模型，并在受沖擊荷載后能較快恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，未加固模型由于部分螺栓孔過早發(fā)生破碎，導(dǎo)致其整體面板抗沖擊荷載能力下降，可為工程實(shí)踐提供參考。

(a) 工況一

有限元模擬二結(jié)果如圖11所示。采用在兩種工況，工況一為相同藥量相同模型下，炸藥位于彩鋼板下部；工況二為相同藥量相同模型下，炸藥位于鋼板中心，以此對比沖擊波對鋼板的毀傷后果。圖11a炸藥處于彩鋼板底部同一水平線上，與彩鋼板中心絕對高差為1.25 m，圖11b炸藥處于彩鋼板中心高度。

圖11 有限元模擬二結(jié)果

有限元模擬二結(jié)果如圖12。經(jīng)模擬計(jì)算，在相同爆距、模型下，炸藥位置不同對彩鋼板毀傷后果存在差異，對比圖12a、圖12b，當(dāng)炸藥位于底部時(shí)，彩鋼板上沖擊波作用形式為非對稱性，即下部承受沖擊波作用時(shí)間較早，彩鋼板變形較早，沖擊波對彩鋼板中心偏上部位影響較大；對比圖12c、圖12d，炸藥位于中心高度時(shí)，模型毀傷后果呈對稱性，炸藥位于底部時(shí)毀傷后果呈非對稱性；有限元模擬見圖13。圖13a、圖13b為同一模型在不同毀傷后果下彩鋼板模型中心5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)A、B、C、D、E位移變化，觀察圖像可得，當(dāng)炸藥位于彩鋼板底部時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波對模型破壞程度較大，鋼板產(chǎn)生的位移變形較大。因沖擊波產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)，導(dǎo)致彩鋼板會發(fā)生凸起，與試驗(yàn)現(xiàn)象一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元仿真的準(zhǔn)確性。

(a) 工況一壓力分布

(a) 工況一彩鋼板位移

從有限元分析結(jié)果中可知：增大彩鋼板與檁條螺栓連接處接觸面的剛度或增大接觸面積能夠有效提升工業(yè)廠房墻面彩鋼板抵抗水平強(qiáng)沖擊荷載的能力。加墊片的加固措施所能承受的強(qiáng)沖擊荷載能力大于普通彩鋼板，加鋼帶的加固措施所能承受的強(qiáng)沖擊荷載能力大于加墊片的彩鋼板。當(dāng)炸藥不位于彩鋼板中心高度時(shí)，沖擊波對彩鋼板毀傷效應(yīng)更大。對比有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)彩鋼板脫落均位于廠房上部，在實(shí)際工程中可根據(jù)需要著重對廠房上部彩鋼板進(jìn)行加固。

5 結(jié)論

(1)普通裝配式鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房大致可抵御室外爆炸峰值為9.74 kPa的強(qiáng)沖擊荷載，其內(nèi)部主要承重骨架、檁條等未出現(xiàn)明顯彎曲破壞。

(2)加墊片與加鋼帶的加固方式對廠房整體抗強(qiáng)沖擊能力有不同程度的提升效果，但對廠房內(nèi)部檁條影響較大，建議根據(jù)需求選擇不同的加固方式時(shí)，對上中部檁條跨中部位進(jìn)行加固。

(3)節(jié)鎳型不銹鋼與厚度2 mm普通鋼板整體抗破壞能力較強(qiáng)，但試驗(yàn)中因連接方式不佳導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不佳，后續(xù)可考慮使用焊接連接進(jìn)行抗強(qiáng)沖擊荷載試驗(yàn)。

(4)爆炸沖擊波對廠房墻面彩鋼板上部產(chǎn)生的毀傷后果較大，在實(shí)際工程中可根據(jù)需要采用不同加固方式對較易損毀的上部彩鋼板進(jìn)行加固。