地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動態(tài)破壞過程＊

李旭東，劉凱欣，閆鴻浩，李曉杰，王 帥

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028；2.北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與空天技術(shù)系湍流與復(fù)雜系統(tǒng)研究國家重點實驗室，北京100871；3.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024）

1 引 言

深鉆地彈武器的發(fā)展對地下防護(hù)工程已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，對地下防護(hù)工程的研究近年來成為了沖擊工程領(lǐng)域研究的一個熱點［1－4］，但非常缺乏有效的實驗數(shù)據(jù)。

本文中，通過數(shù)字高速攝影技術(shù)和動態(tài)電測實驗技術(shù)，對馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動態(tài)破壞過程進(jìn)行縮比模型實驗研究，了解馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下破壞過程的一些重要特點和規(guī)律。并且，通過這些實驗數(shù)據(jù)驗證采用LS－DYNA 顯式動力學(xué)有限元計算軟件對于地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的破壞過程進(jìn)行數(shù)值計算分析的可行性和正確性。

2 縮比模型實驗

2.1 實驗?zāi)Ｐ驮嚰?/h3>

馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型試件在水泥砂漿質(zhì)基體上，按照不同的厚度內(nèi)嵌了泡沫混凝土和C30混凝土，如圖1所示，所用的混凝土類材料的配比和制作方法見表1。在實驗中，部分馬蹄形模型試件的內(nèi)部緊貼著內(nèi)壁加裝了1層鋼板。

整個模型試件可以分為2部分：處于上部、橫截面呈錐型的加載頭和處于下部的試件。加載頭和試件在接觸端（即試件的上端）通過混凝土粘合劑粘接，試件的下端與地面間墊有橡膠墊。設(shè)計和使用橫截面呈錐型的加載頭，是為了使入射波在變截面處得到透射加強(qiáng)，提高生成載荷的強(qiáng)度。

圖1 試件結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of the specimen

表1 混凝土類材料的成分配比Table 1 Component proportions of concrete materials

2.2 實驗系統(tǒng)和方法

如圖2所示，實驗系統(tǒng)的最上端是一個載荷發(fā)生器，通過該發(fā)生器可以產(chǎn)生一個特定的強(qiáng)沖擊載荷作用到試件的上端。基本工作原理是，通過引爆雷管炸開用以分離載荷發(fā)生器內(nèi)部高壓氣室和水箱之間的鋁板，實現(xiàn)高壓氣室和水箱間的聯(lián)通，將壓縮空氣瞬間釋放，作用力經(jīng)由水介質(zhì)作用到試件上，產(chǎn)生滿足特定規(guī)律的沖擊載荷。

實驗時，以雷管爆炸的瞬間作為零時刻給出同步信號。該信號經(jīng)同步觸發(fā)電路，觸發(fā)FASTCAM－ultima PAX－i2型數(shù)字高速攝影機(jī)開始工作，以20ms－1的拍攝速度和128×256的分辨率，記錄沖擊載荷作用下馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)模型試件的動態(tài)破壞過程；同時，該同步信號通過DS310型數(shù)字延時同步機(jī)，同步觸發(fā)Tektronix TDS2024型數(shù)字示波器，記錄經(jīng)SDY2107型超動態(tài)應(yīng)變儀放大的、4路電阻應(yīng)變片的應(yīng)變信號，從而通過電阻應(yīng)變片動態(tài)電測系統(tǒng)獲得馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)模型試件上4點應(yīng)變隨時間的變化過程。此外，載荷發(fā)生器內(nèi)部放置了壓電傳感器，通過自觸發(fā)模式觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄實驗中載荷發(fā)生器實際產(chǎn)生的載荷波形，該波形將用于通過數(shù)值計算分析實驗過程時有限元模型的建立。

2.3 實驗結(jié)果及分析

實驗共進(jìn)行了10發(fā)余，取得了較多的實驗數(shù)據(jù)，而且重復(fù)性良好。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2Sketch of the experiment system

2.3.1 動態(tài)破壞過程

圖3為沖擊載荷作用下馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型的動態(tài)破壞過程。

由圖3（a）可見，載荷發(fā)生器形成的入射壓縮波在試件的底端反射后形成拉伸波（模型試件的底部均墊有橡膠墊），反射拉伸波向上傳播至馬蹄形試件的底部，并產(chǎn)生了第1道裂紋；此后，應(yīng)力波繼續(xù)在試件的上端和下端間來回反射和傳播，經(jīng)歷約1.6 ms后，應(yīng)力波再次由試件的上端傳播至馬蹄形試件的拱頂部，產(chǎn)生了第2條裂縫。該裂縫首先沿著中軸線，在水泥砂漿與泡沫混凝土交界的地方產(chǎn)生，然后沿著水泥砂漿基體向上擴(kuò)展。而在馬蹄形結(jié)構(gòu)的底部，隨著先期產(chǎn)生的第1條裂縫的加劇，馬蹄形結(jié)構(gòu)的下端向上翹起，產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞。

圖3 馬蹄形試件的動態(tài)破壞過程Fig.3 Dynamic damage process of horseshoe－shaped specimens

由圖3（b）可見，內(nèi)層未加裝鋼板的試件的破壞過程，與內(nèi)層加裝鋼板的試件的破壞過程非常類似，也是在反射拉伸波的作用下，馬蹄形結(jié)構(gòu)的底部首先沿著C30材料的內(nèi)壁開裂，并且裂縫沿著下部的水泥砂漿基體繼續(xù)張開。同樣，結(jié)構(gòu)的拱頂也隨后出現(xiàn)開裂，而且，由于內(nèi)層沒有加裝鋼板作為支撐，使得整個拱頂垮塌了下來。

由此可知馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下動態(tài)毀傷過程的特點和規(guī)律：

（1）馬蹄形結(jié)構(gòu)的底部是整個結(jié)構(gòu)最為脆弱的部分，在反射拉伸波的作用下，結(jié)構(gòu)在此處最先開裂，并且隨著破壞程度的加劇和累積，整個底部向上翹起，嚴(yán)重破壞了整體結(jié)構(gòu)，需要著重加強(qiáng)防護(hù)。此外，馬蹄形結(jié)構(gòu)的拱頂部位沿中軸線也都出現(xiàn)了巨大的裂縫，同樣是需要予以重點防護(hù)的區(qū)域。

（2）在內(nèi)層加裝鋼板或其他高強(qiáng)度防護(hù)材料，可以提高馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。如果不加裝內(nèi)層高強(qiáng)度防護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著馬蹄形防護(hù)結(jié)構(gòu)在拱頂出現(xiàn)巨大的裂縫和嚴(yán)重的破壞，結(jié)構(gòu)頂部會整體垮塌下來。在內(nèi)層加裝了鋼板后，由于高強(qiáng)度內(nèi)壁對整個結(jié)構(gòu)起到了支撐作用，整個結(jié)構(gòu)最終也沒有垮塌。加裝了內(nèi)層鋼板的試件在實驗結(jié)束后仍然是一個結(jié)構(gòu)完全的整體，而沒有加裝內(nèi)層鋼板的試件全部垮塌成一堆碎片。圖4給出了加裝了內(nèi)層防護(hù)鋼板的模型試件在實驗前后的狀態(tài)。

圖4 內(nèi)層加裝鋼板的試件在實驗前后的形態(tài)Fig.4 Appearance of the specimen with the inner steel plate before and after experiment

（3）結(jié)構(gòu)的開裂并不是初次入射的應(yīng)力波剛傳播時就產(chǎn)生的，而是應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部經(jīng)多次入射、反射后才產(chǎn)生的，是動態(tài)累積的過程。該累積過程造成了對馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂部位的壓彎破壞，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成了拉應(yīng)力集中區(qū)，拉應(yīng)力破壞模式在整個破壞過程中起主要作用，材料的抗拉強(qiáng)度直接影響這類結(jié)構(gòu)的抗毀傷能力。

2.3.2 應(yīng)變和載荷

圖5為內(nèi)層加裝鋼板的地下防護(hù)結(jié)構(gòu)模型中4點應(yīng)變隨時間的變化過程?？梢钥吹剑撼跏既肷鋲嚎s波在由試件的上端傳播至下端的過程中明顯出現(xiàn)了衰減；入射壓縮波在試件的下端反射后形成反射拉伸波。圖6為載荷發(fā)生器生成和實際作用到試件上的載荷。

圖5 結(jié)構(gòu)中應(yīng)變隨時間的變化Fig.5 Variations of strain with time in the structure

圖6 載荷發(fā)生器生成的載荷Fig.6 Loading generated by the loading generator

3 數(shù)值計算分析

采用LS－DYNA 顯式動力學(xué)有限元軟件，對內(nèi)層加裝鋼板的馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型在沖擊載荷作用下的動態(tài)破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。幾何模型的3D 建模與圖1實際結(jié)構(gòu)一致。水泥砂漿、泡沫混凝土和C30混凝土采用體單元Solid 164劃分網(wǎng)格，并且在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部緊貼著拱形內(nèi)壁用Shell 163殼單元添加了一層鋼板。水泥砂漿和C30混凝土采用＊MAT＿JOHNSON＿HOLMQUIST＿CONCRETE材料模型，鋼板采用＊MAT＿JOHNSON＿COOK 材料模型，泡沫混凝土采用＊MAT＿CRUSHABLE＿FOAM 材料模型。全部模型參數(shù)由前期進(jìn)行的系列材料參數(shù)測試實驗及相關(guān)文獻(xiàn)中獲得［5－6］。根據(jù)實驗中測得的多組載荷發(fā)生器產(chǎn)生的實際載荷曲線，確定加載載荷的升載時間為150μs。在計算過程中，結(jié)構(gòu)底端固定，其余表面自由。

通過數(shù)值計算得到的內(nèi)層加裝鋼板的馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型破壞形態(tài)，與實驗結(jié)果基本一致。圖7為馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)模型中應(yīng)變片2處沿豎直方向正應(yīng)變隨時間的變化過程。由于實驗中試件的下端與地面之間墊有橡膠墊，這種邊界條件既不是固支、簡支，也不是自由端，不能嚴(yán)格對應(yīng)數(shù)值計算中的精確約束。但是，對比此前未受反射波干擾的第1個入射波峰值的大小及隨時間的變化規(guī)律，可以看出，數(shù)值模擬所得的結(jié)果與實驗中應(yīng)變片的實測結(jié)果比較吻合。

圖7 馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變隨時間的變化Fig.7 Variations of strain with time in the horseshoeshaped underground protective structure

4 結(jié) 論

通過數(shù)字高速攝影技術(shù)和動態(tài)電測技術(shù)，獲得了內(nèi)層加裝鋼板和未加裝鋼板的2種馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)縮比模型，在沖擊載荷作用下動態(tài)毀傷過程的實驗數(shù)據(jù)。由實驗可知：

（1）馬蹄形結(jié)構(gòu)的底部在整個結(jié)構(gòu)中最脆弱，結(jié)構(gòu)在此處將最先開裂，嚴(yán)重破壞整體結(jié)構(gòu)；馬蹄形結(jié)構(gòu)的拱頂部位也會沿中軸線出現(xiàn)巨大裂縫。

（2）在內(nèi)層加裝鋼板或其他高強(qiáng)度防護(hù)材料，可以提高馬蹄形地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力。

（3）在沖擊載荷作用下地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂是一個動態(tài)累積的過程。拉應(yīng)力破壞模式在整個破壞過程中起主要作用，材料的抗拉強(qiáng)度直接影響這類結(jié)構(gòu)的抗毀傷能力。

用LS－DYNA 軟件對縮比模型實驗進(jìn)行了數(shù)值計算分析。經(jīng)實驗結(jié)果驗證，選擇了合適的材料模型和參數(shù)，數(shù)值計算可以較準(zhǔn)確地模擬地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的縮比模型在沖擊載荷作用下的動態(tài)毀傷過程。這可為相關(guān)問題原型的數(shù)值計算分析提供參考。

［1］ 曹志遠(yuǎn)，曾三平.爆炸波作用下地下防護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的非線性動力相互作用分析［J］.爆炸與沖擊，2003，23（5）：385－390.CAO Zhi－yuan，ZENG San－ping.Nonlinear dynamic interaction between underground structure and surrounding medium under blast loading［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（5）：385－390.

［2］ 李志成，黃小平，錢七虎.防護(hù)結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法及其數(shù)值積分方法研究［J］.爆炸與沖擊，1994，14（1）：26－34.LI Zhi－cheng，HUANG Xiao－ping，QIAN Qi－h(huán)u.Pseudo－dynamic testing of protective structures and study of numerical integration method［J］.Explosion and Shock Waves，1994，14（1）：26－34.

［3］ 劉殿書，馮明德，王代華.復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及破壞規(guī)律研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，36（3）：335－338.LIU Dian－shu，F(xiàn)ENG Ming－de，WANG Dai－h(huán)ua.Research on dynamic response and failure law of composite protective structure［J］.Journal of China University of Mining ＆Technology，2007，36（3）：335－338.

［4］ 方秦，錢七虎.防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)變速率效應(yīng)問題［J］.爆炸與沖擊，1997，17（2）：104－110.FANG Qin，QIAN Qi－h(huán)u.Discussion on the consideration of the ratesensitivity in design of protective structures［J］.Explosion and Shock Waves，1997，17（2）：104－110.

［5］ 陳建林，李旭東，劉凱欣.素混凝土本構(gòu)模型參數(shù)的試驗研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，44（5）：689－694.CHEN Jian－lin，LI Xu－dong，LIU Kai－xin.Experimental research on parameters of constitutive model for a cement mortar［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2008，44（5）：689－694.

［6］ 李旭東，劉凱欣，張光升，等.沖擊波在水泥砂漿板中的聚集效應(yīng)［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，48（8）：1272－1275.LI Xu－dong，LIU Kai－xin，ZHANG Guang－sheng，et al.Focusing of shock waves in cement mortar plates［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2008，48（8）：1272－1275.