混凝土抗爆加固研究進(jìn)展綜述

孫炳鑫，季鯤鵬

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038）

本文對(duì)近年來對(duì)不同材料的抗爆加固研究進(jìn)行概述。

1 不同材料加固措施

1.1 復(fù)合材料加固抗爆

復(fù)合材料加固目前采用的是各種纖維增強(qiáng)聚合物（FRP），這種纖維增強(qiáng)聚合物安裝方便的同時(shí)，硬度強(qiáng)度大，對(duì)原來的既有結(jié)構(gòu)損害較小。國內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬研究，選取代表性的文章進(jìn)行論述。

郭樟根等[1]對(duì)外貼FRP 條帶加固鋼筋混凝土(RC)雙向板抗爆性能試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，并且對(duì)爆炸沖擊進(jìn)行了詳細(xì)理論分析說明，將理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較相一致，研究結(jié)果表明外貼FRP 提高了RC 雙向板剛度，有效保護(hù)了混凝土結(jié)構(gòu)。爆炸沖擊后，主要破壞集中在FRP 斷裂和剝離。FRP筋配筋率越高，抗爆能力提高。同時(shí)提出了一種加固三折線彎曲抗力模型，外貼FRP 加固RC 雙向板的抗爆炸沖擊波能力得到了明顯提高。

彭培[2]基于有限元軟件LS-DYNA，建立了玄武巖纖維布（BFRP）與噴涂式聚脲對(duì)蒸壓加氣混凝土單向砌體墻的加固模型，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，結(jié)果表明BFRP布條加固墻體抗彎性能優(yōu)于聚脲涂層， 聚脲涂層對(duì)墻體拉拱效應(yīng)明顯，墻體位移最大處BFRP 斷裂，在跨端邊界處聚脲涂層斷裂。

Qiang Zhou[3]采用玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物筋對(duì)淺埋混凝土城市綜合管廊進(jìn)行加固。采用動(dòng)力歐拉梁理論預(yù)測(cè)了頂板的動(dòng)力響應(yīng)，較好地預(yù)測(cè)了大尺度爆炸時(shí)頂板的位移。當(dāng)爆炸比例距離＜1.260m/kg1/3，且鋼筋進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，撓度較小，裂縫分布較為均勻。隨著BFRP 筋彈性破壞的增大，在小尺度爆炸條件下，其抗爆性也越來越好。研究了淺埋混凝土城市綜合管廊的爆炸阻力。通過對(duì)其表面反射壓力、應(yīng)變、加速度、位移、裂紋信息和破壞模式的測(cè)量、觀察和分析，初步揭示了其爆破性能。對(duì)前四種工況下的管廊頂板中心位移進(jìn)行了理論計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，管廊頂板底部中心橫筋的最大應(yīng)變遠(yuǎn)大于縱向橫筋，具有明顯的單向板結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)力主要沿頂板短跨分布，作者建議在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)橫向鋼筋。淺埋混凝土城市綜合管廊的主要破壞形式為屋面彎曲裂縫和屋面混凝土局部剝落。當(dāng)淺埋混凝土城市綜合管廊損壞時(shí)，5 條裂縫沿屋頂軸線形成并發(fā)展。由于BFRP 筋抗剪強(qiáng)度不高，導(dǎo)致側(cè)墻出現(xiàn)剪切裂縫。在設(shè)計(jì)中可以考慮采用鋼筋和BFRP 筋的混合應(yīng)用來提高結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。位移隨尺度距離的變化反映了淺埋混凝土城市綜合管廊的損傷程度和累積損傷效果。

Junjie Zeng[4]對(duì)15 個(gè)柱試件進(jìn)行了試驗(yàn)，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。利用ABAQUS 建立了一種可靠的局部FRP 約束圓柱三維有限元建模方法。在有限元方法中，采用了一種精確的混凝土多軸受壓塑性損傷模型。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了有限元方法的準(zhǔn)確性。然后給出了驗(yàn)證的有限元方法的數(shù)值結(jié)果，以加強(qiáng)對(duì)部分FRP 約束混凝土柱中約束混凝土的性能的理解。用連續(xù)的FRP 套包裹現(xiàn)有的混凝土柱，且套內(nèi)纖維方向?yàn)楣肯?，稱為FRP 全纏繞加固技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，采用縱向不連續(xù)FRP 條加固混凝土柱的方法也較為可取，稱為FRP 局部纏繞加固技術(shù)?，F(xiàn)有研究表明，玻璃鋼局部包裹加固技術(shù)是玻璃鋼全包裹加固技術(shù)的一種經(jīng)濟(jì)可行的替代方法。作者認(rèn)為盡管目前已經(jīng)對(duì)部分FRP 約束混凝土柱進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但部分FRP 約束圓形柱中約束混凝土的約束力學(xué)仍不清楚。采用新型PIV技術(shù)測(cè)量了試件的軸向和環(huán)向應(yīng)變。未見軸向和環(huán)向應(yīng)變變化沿柱。建立了基于混凝土損傷的塑性有限元模型，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。采用有限元法對(duì)部分FRP 約束混凝土的約束力學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)果，發(fā)現(xiàn)約束混凝土的峰值應(yīng)力隨FRP 帶寬度的增大而增大;混凝土的軸向極限應(yīng)變、FRP 箍筋的破裂應(yīng)變和第二段的斜率與相鄰FRP 條的間距無關(guān)。抗壓強(qiáng)度隨帶厚的增加而增加，而第二段的斜率不受帶厚的影響。作者利用基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)相鄰兩條FRP 帶中部的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均大于每條FRP 帶中部的應(yīng)變。

1.2 緩沖材料加固

Fei Yang[5]對(duì)帶鋼筋的不同體積分?jǐn)?shù)的橡膠混凝土板進(jìn)行了爆炸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。采用多材料ALE 和拉格朗日算法對(duì)數(shù)值模擬驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，證明了橡膠混凝土板與鋼加固是可行的結(jié)構(gòu)抗爆。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)炸藥的質(zhì)量并不大時(shí) (2.3kg 或3.4kg)， 普通混凝土板仍處于彈性階段與輕微損壞， 而橡膠混凝土板在塑性階段拉伸區(qū)域中會(huì)跨較大變形和一些細(xì)裂紋。而當(dāng)炸藥質(zhì)量為5.6 kg時(shí)，橡膠混凝土板與普通混凝土板跨中殘余位移差減小，橡膠混凝土板受拉區(qū)損傷小于普通混凝土板。在近距離爆炸條件下，橡膠顆粒增強(qiáng)了大質(zhì)量裝藥的爆炸阻力。此外，橡膠混凝土板的彈性比普通混凝土板大。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在大爆炸載荷作用下，橡膠混凝土板的拉區(qū)損傷小于普通混凝土板。作者發(fā)現(xiàn)鋼筋加固的橡膠混凝土板是抵抗爆炸荷載特別是大能量爆炸的實(shí)用結(jié)構(gòu)。為了綜合考慮材料強(qiáng)度，特別是當(dāng)受到大能量爆炸。橡膠顆粒體積替代率低于30%時(shí)混凝土具有較好的抗爆性能。

1.3 剛性材料加固

Jun Li[6]介紹了近程爆轟作用下鋼筋混凝土板的現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了基于多材料ALE 和拉格朗日算法的數(shù)值研究。提出在常規(guī)鋼筋加固基礎(chǔ)上采用的新型加固方案——混合鋼絲網(wǎng)-微鋼纖維加固。相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土有較好的防爆性能。

Yandong Qu[7]通過數(shù)值模擬的方法，研究了爆炸裝藥的重量和位置、鋼板的加固長度以及加固方法(如在鋼筋混凝土T 梁底部粘貼鋼板、在腹板兩側(cè)粘貼鋼板、在T 梁頂部和底部粘貼鋼板、全厚鋼板和全厚鋼板) 對(duì)爆破荷載作用下T 梁動(dòng)力特性的影響。分析了鋼板強(qiáng)化T 梁的破壞形式以及裂紋分布規(guī)律。得出梁抗爆性能的最佳加固方法是在梁的頂部和底部用鋼板加固。通過比較相同爆炸情況下鋼板的不同加固長度，得出鋼板加固長度的最佳尺寸為80 cm 左右。

2 結(jié)論與展望

目前混凝土抗爆加固大多數(shù)是單一材質(zhì)并且研究宏觀現(xiàn)象居多，對(duì)于爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和不同材料界面相互作用鮮有研究。不同種材料組合抗爆效果是否優(yōu)于單一材料仍然需要模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證。