爆炸荷載作用下典型建筑構(gòu)件破壞特征試驗研究

摘 要： 針對建筑物的典型結(jié)構(gòu)砌體墻和玻璃在爆炸載荷作用下的破壞特征問題，進行了爆炸載荷作用下的破壞特征試驗研究。首先通過對比試驗證明了碳纖維對砌體墻的加固作用，然后通過數(shù)值模擬方法研究了不同纖維厚度對砌體墻抗爆性能的影響，當碳纖維厚度處于0.1～0.5 mm區(qū)間內(nèi)加固效果最為明顯。最后對鋼化夾層玻璃和普通夾層玻璃的抗爆性能進行試驗，試驗結(jié)果表明鋼化夾層玻璃的抗爆性能明顯優(yōu)于普通夾層玻璃。

關(guān)鍵詞： 砌體墻； 爆炸載荷； CFRP； 抗爆性能

中圖分類號： TN911?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）15?0086?04

Abstract： Aimed at the damage characteristics of the typical masonry walls and glass of buildings under explosion load， the experiment for the damage characteristics is performed under blast load. The reinforcement effect of carbon fiber on the masonry walls was verified with the contrast test. The influence of different fiber thickness on antiknock performance of masonry walls is studied by means of the numerical simulation method. When the thickness of the carbon fiber is in the range of 0.1～0.5 mm， the reinforcement effect is most obvious. The antiknock performance of the tempering sandwich glass and ordinary sandwich glass was tested. The experimental results show that the antiknock performance of the tempering sandwich glass is superior to that of the ordinary sandwich glass.

Keywords： masonry wall； explosion load； CFRP； antiknock performance

0 引 言

近幾年，恐怖事件與爆炸事故造成越來越多的傷亡和財產(chǎn)損失，為了減少損失，對爆炸載荷作用下砌體墻和玻璃的破壞特征研究就顯得越發(fā)重要。在各種砌體墻防爆材料中，碳纖維材料（CFRP）的耐腐蝕性及耐久性都比較穩(wěn)定[1?3]，抗拉強度高且自重小，但目前對砌體墻碳纖維加固的研究[4?6]處還于初期階段；風荷載及靜載荷作用下抗爆玻璃結(jié)構(gòu)的研究已有較多成果[7?8]，但在爆炸荷載作用下玻璃的破壞特征研究還較少。

針對上述問題，進行了砌體墻和玻璃在爆炸載荷作用下的破壞特征試驗研究。首先通過試驗證明了碳纖維對砌體墻的加固作用，然后通過數(shù)值模擬軟件AUTODYN研究了不同纖維厚度對砌體墻抗爆性能的影響，當碳纖維厚度處于0.1～0.5 mm區(qū)間內(nèi)加固效果最為明顯。最后對鋼化夾層玻璃和普通夾層玻璃的抗爆性進行了對比試驗，對砌體墻和玻璃在爆炸載荷作用下的破壞特征研究具有重要意義。

1 砌體墻結(jié)構(gòu)爆炸試驗研究

1.1 試驗方案

試驗主體為1個二層房屋模型、3個混凝土箱（每個1 600 kg）和3個鋼筋混凝土柱。其中砌體墻尺寸為寬3.6 m，高度為2.0 m，厚度為0.24 m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗結(jié)構(gòu)為二層雙重框架房屋模型，由墻體和鋼筋混凝土柱組成。測試的鋼筋混凝土柱為未進行加固處理的鋼筋混凝土柱C1，用碳纖維布纏繞并用碳纖維板加強的鋼筋混凝土柱C2和僅用碳纖維布纏繞的鋼筋混凝土柱C3；測試的墻面為未采取加固措施的墻面W1，僅粘貼碳纖維布的墻面W2，粘貼碳纖維布并使用螺栓周圈進行固定的墻面W3和粘貼碳纖維布并使用螺栓周圈及中心進行固定的墻面W4；柱頂使用混凝土箱模擬上層樓的載荷。

1.2 試驗結(jié)果和分析

（1） 試驗現(xiàn)象及破壞特征

前兩次試驗爆炸所產(chǎn)生的沖擊波較小，基本看不出砌體墻的損壞。第三次試驗爆炸后，砌體墻產(chǎn)生明顯的損壞，從整個試驗過程可以看出，碳纖維加固前后砌體墻在爆炸載荷作用下破壞特征出現(xiàn)明顯的變化。未采取任何加固措施的墻面W1整體全部破壞、墻體碎片較多且飛濺較遠；僅粘貼碳纖維布加固的墻面W2基本無墻體碎片出現(xiàn)且為整體脫落；加固較好的墻面W3和墻面W4都沒有出現(xiàn)整體破壞，但其墻體的裂紋走向明顯不同，這是因為兩者加固的措施不同。

未采取任何加固措施的墻面W1在爆炸沖擊波的作用下，只要爆炸載荷達到墻面開裂荷載，破壞首先在灰縫處產(chǎn)生，然后整個墻體裂縫迅速擴展，同時墻體損壞，整個過程時間很短，呈現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。

經(jīng)碳纖維加固較好的墻面W3和W4，其破壞特征明顯好于W2。碳纖維與墻體之間的耦合效果越好，其破壞特征越不明顯，僅會在砂漿處產(chǎn)生微小的裂縫，如墻體W3，W4在爆炸載荷作用后仍能夠穩(wěn)定地承載；若碳纖維與墻體的耦合效果較差，爆炸載荷達到極限荷載后，會使粘結(jié)面空鼓剝離，如墻面W2，在爆炸載荷作用下碳纖維不能與砌體墻共同承載，從而導致墻體承載能力下降，最終墻體整體破壞。

從上面的試驗可以看出，碳纖維加固后不僅自身參與了墻體的承載，而且改變了砌體墻結(jié)構(gòu)的受力特點，明顯增強了砌體墻的抗爆性能。

（2） 試驗結(jié)果分析

從墻體的變形試驗結(jié)果可以看出，CFRP加固不但可以增強砌體墻整體的承載能力，而且明顯提高了墻體的抗變形能力。采用CFRP加固砌體墻時，如僅進行粘接而未采用加固措施，則爆炸載荷達到極限荷載時，CFRP會與墻體發(fā)生空鼓剝離現(xiàn)象從而使砌體墻發(fā)生脆性破壞；當進行中心或邊界加固時，即使爆炸載荷達到極限荷載，CFRP與墻體也只是在局部發(fā)生剝離，明顯增強了砌體墻抵抗變形的能力。

從墻體的載荷響應結(jié)果可以看出，未進行任何加固的墻面W1只能承受較小的爆炸荷載，容易發(fā)生破壞；采用CFRP加固的墻面W2即使爆炸載荷達到極限荷載，也只是整體脫落而不會產(chǎn)生墻體碎片。所以CFRP加固對砌體墻的承載能力增強效果較為明顯。

試驗過程中，通過壓力傳感器1，2，3和4采集到的按照表1爆炸條件下的壓力數(shù)據(jù)，如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出，隨著爆炸距離的減小，試驗得到的壓力峰值逐漸變大；試驗中測得的碳纖維對砌體墻的抗爆能力有明顯的提升，最高能達到4 MPa。

當超壓峰值不超過0.2 MPa時，4個砌體墻均未損壞，由此可說明爆炸沖擊波在0.2 MPa以下時不會對砌體墻造成損壞。

當超壓峰值處于0.2～1 MPa區(qū)間內(nèi)時，未進行任何加固的墻體W1最先受到破壞，破壞特征為砌體墻各磚塊之間完全脫離并沖入到建筑物內(nèi)，此狀態(tài)必然會對建筑物內(nèi)的設(shè)施和人員造成傷害。

當爆炸荷載的超壓峰值達到1 MPa時，墻體W2的上下端錨固處完全開裂，墻體整體脫落，這是因為墻體W2雖然進行了CFRP加固，但其邊界未固定導致防護作用失效。W2墻體的各磚塊間并沒有被破壞，這是由于各砌塊間的結(jié)合面雖然達到了強度極限發(fā)生開裂，并整體向外拋射，但防護膜阻擋并兜住了向外拋射的砌塊，使其無法拋射至建筑物內(nèi)部。這說明墻體的碳纖維加固可以有效地防止零散砌塊的拋射，增強砌體墻的抗爆能力。

對比墻體W3和W4，當爆炸荷載的超壓峰值達到2 MPa和4 MPa時，兩者均產(chǎn)生輕微損壞；這是由于CFRP布的加固，使墻體內(nèi)產(chǎn)生縱向壓緊作用。墻體3和4都是由砌體與CFRP共同承載，但砌體的彈性模量遠小于CFRP的彈性模量，砌體承載過程中CFRP約束了墻體的橫向變形，而墻體W3和W4采用了不同的加固方式，對墻體起著不同的加固作用，使墻體W3和W4受到的三向受壓狀態(tài)不完全相同，從而導致墻體的承載能力有所差異，但二者均能延緩砌體裂縫的產(chǎn)生和擴展，增強砌體墻的承載能力。

從上述試驗分析得出，砌體承受壓縮載荷時，砂漿內(nèi)作用雙向的橫向壓應力，磚塊內(nèi)則承受雙向的橫向拉應力，這也是磚塊在較低載荷下就產(chǎn)生破壞的原因之一。在使用粘貼CFRP布對砌體表面進行加固后，CFRP布的約束導致磚塊自身產(chǎn)生了雙向的橫向壓應力，增強了磚塊的抗拉能力，從而使砌體墻的整體承載能力得到了提高。

2 碳纖維厚度對砌體墻抗爆性能的影響

為了研究不同碳纖維厚度對砌體墻的加固作用，采用AUTODYN軟件進行數(shù)值模擬，碳纖維厚度分別為0.1 mm，0.5 mm和0.9 mm。試驗結(jié)果如圖6，圖7所示。

由圖6，圖7中可以看出，采用CFRP對墻體進行加固后，隨著CFRP厚度的加大，爆炸載荷作用下砌體墻的位移不但沒有減小，反而增加，這是由于砌體墻在爆炸沖擊波作用下容易產(chǎn)生嚴重的剪切破壞，出現(xiàn)整體大裂紋，從而失去承載能力。用于砌體墻加固的碳纖維具有良好的力學性能，其抗拉強度是普通鋼材的10倍以上。但碳纖維的各向異性特征使碳纖維絲無法共同參與承載，在較低荷載工況下，應力較大的碳纖維絲最先達到其抗拉強度極限從而斷裂，然后其他碳纖維絲逐漸達到自身的抗拉強度極限，直至碳纖維加固層整體破壞。

在爆炸過程中，隨著碳纖維厚度的變大，碳纖維與砌體墻的空鼓剝離現(xiàn)象越嚴重，導致碳纖維無法與砌體墻共同參與承載，從而不能達到對砌體墻加固的目的，因此在使用碳纖維加固時，必須注意碳纖維厚度的影響。

使用碳纖維對墻體進行加固時，多層碳纖維會對其加固性能造成影響，為避免碳纖維脆性破壞，加固層不宜大于5層。從碳纖維受力角度看，單層加固好于多層加固，再綜合墻體應力的變化可以看出，當加固碳纖維厚度處于0.1～0.5 mm區(qū)間時，碳纖維能夠顯著增強墻體的承載能力，當碳纖維厚度在0.2 mm時，墻體的承載能力最強，這與工程中墻體加固采用的碳纖維厚度一致。所以采用碳纖維對砌體墻進行加固時，綜合考慮耗材及加固效果，碳纖維厚度應處于0.1～0.5 mm區(qū)間內(nèi)。

3 不同類型玻璃抗爆性能試驗研究

為研究鋼化夾層玻璃和普通夾層玻璃的抗爆性能差異，試驗采用的玻璃尺寸為1 095 mm×1 395 mm，玻璃性能符合GB9962國家標準，中間夾層材料為PVB板，其具體型號規(guī)格如表2所示。

兩種玻璃均在TNT為10 kg（爆炸距離9 m），TNT為20 kg（爆炸距離為11 m）爆炸載荷作用下進行試驗。試驗結(jié)果如表3所示。

其中，普通夾層玻璃在兩種爆炸載荷作用下內(nèi)外層均被破壞，破壞中心成撕裂狀，但在TNT質(zhì)量為20 kg作用下玻璃脫離窗框且產(chǎn)生部分碎片。

對于鋼化夾層玻璃在上述爆炸載荷作用下，玻璃均未從窗框中脫離且無碎片產(chǎn)生。在TNT質(zhì)量為20 kg（爆炸距離11 m）爆炸載荷作用下，普通夾層玻璃完全從窗框中脫離，而鋼化夾層玻璃則未從窗框中脫離，試驗結(jié)果說明6 mm+6 mm的鋼化夾層玻璃的抗爆性能比6 mm+6 mm的普通夾層玻璃高；而且二者的破壞程度也不同，普通夾層玻璃出現(xiàn)大量的玻璃碎片，而鋼化夾層玻璃的裂紋在開裂瞬間迅速擴展至整塊玻璃，減少了玻璃的局部應力，使整塊玻璃能夠較為完整的保存，僅產(chǎn)生非常少的玻璃碎片。

從試驗結(jié)果能夠看出，超壓峰值小于0.645 3 MPa時，普通夾層玻璃未從窗框中脫離，且僅產(chǎn)生少量的玻璃碎片，只會造成小范圍內(nèi)的傷害；當超壓峰值超過0.684 1 MPa時，普通夾層玻璃完全從窗框中脫離，且產(chǎn)生大量的玻璃碎片，會造成其周邊大范圍的傷害；而從鋼化夾層玻璃的試驗結(jié)果能夠看出，當超壓峰值達到0.810 2 MPa時，鋼化夾層玻璃也未從窗框中脫離，對其周圍造成的傷害較小。

從TNT質(zhì)量為20 kg的試驗結(jié)果可以看出，普通夾層玻璃的抗爆能力明顯低于鋼化夾層玻璃；且普通夾層玻璃從窗框中脫離的超壓峰閾值在0.645 3～0.684 1 MPa區(qū)間內(nèi)；而鋼化夾層玻璃從窗框中脫離的超壓峰閾值大于0.810 2 MPa，說明在建筑物抗爆設(shè)計中應選用鋼化夾層玻璃以增加安全性。

4 結(jié) 論

針對建筑物的典型結(jié)構(gòu)砌體墻和玻璃在爆炸載荷下的破壞特征問題，進行了相關(guān)的試驗研究，結(jié)果表明碳纖維能顯著提高砌體墻的抗爆能力，且當碳纖維厚度處于0.1～0.5 mm區(qū)間范圍內(nèi)時，對砌體墻的加固效果最為明顯，而鋼化夾層玻璃的抗爆性能和超壓峰閾值明顯高于普通夾層玻璃，這些結(jié)論對今后建筑物的抗爆性能設(shè)計具有重要意義。

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