楊光瑞, 汪維, 楊建超, 汪劍輝, 王幸
(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(guó)防工程研究院, 河南 洛陽(yáng) 471023)
近年來,恐怖襲擊和爆炸事件時(shí)常發(fā)生,造成建筑物的嚴(yán)重破壞和人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失[1]。例如,2011年3月日本福島第一核電站、第二核電站的核泄漏事件,2018年11月我國(guó)河北省危險(xiǎn)化學(xué)品爆炸事故,2020年10月黎巴嫩貝魯特硝酸銨爆炸事件等,都對(duì)當(dāng)?shù)亟ㄖ锂a(chǎn)生了嚴(yán)重破壞。墻體作為建筑物的主要受力構(gòu)件,在各類爆炸中極容易受到爆炸載荷的沖擊破壞。鋼筋混凝土是墻體的主要組成部分,但由于其材料性能的不足,限制了各種工程的建設(shè)[2]。因此,提高建筑物墻體的抗爆性能一直是當(dāng)前防護(hù)工程研究的熱點(diǎn)[3]。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚脲涂覆鋼板混凝土剪力墻開展了大量研究工作。Dai等[4]給出了聚脲涂覆薄鋼板的試驗(yàn)結(jié)果。通過改變涂層位置(前、后)和涂層厚度的方式,發(fā)現(xiàn)聚脲涂層能減輕鋼板的變形且前涂層對(duì)板材變形的緩解效果更好。 Samiee等[5]針對(duì)聚脲在爆炸載荷下鋼板性能影響做了數(shù)值模擬。王喜夢(mèng)等[6]對(duì)鋼板/聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真,發(fā)現(xiàn)背爆面噴涂聚脲層在抗爆過程中存在二次崩落現(xiàn)象,其動(dòng)能在聚脲層總吸能中占主導(dǎo)地位。王琪等[7]通過爆炸試驗(yàn)分析聚脲涂覆鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能,研究表明,等面密度條件下,迎爆面涂覆聚脲涂層不能提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆性能。 Amini等[8]重點(diǎn)研究了聚脲相對(duì)于載荷方向的相對(duì)位置、聚脲層厚度和聚脲-鋼界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。Rotariu等[9]進(jìn)行了聚脲層對(duì)氣流加載金屬板性能影響的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)聚脲涂層與板的永久變形量之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。但是,目前卻鮮有針對(duì)聚脲涂覆波紋鋼混凝土剪力墻的抗爆性能研究。
波紋鋼是基于平面鋼發(fā)展而來的一種具有優(yōu)越抗剪性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件[10-11]。相關(guān)文獻(xiàn)[12-14]顯示,與平面鋼相比,波紋鋼能夠提供較大的平面外剛度,有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度和剛度。本文對(duì)波紋鋼加固鋼筋混凝土板和POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板進(jìn)行接觸爆炸試驗(yàn),對(duì)比分析了POZD涂覆波紋鋼的抗爆性能及破壞機(jī)理。利用LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元模擬,與試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,并研究了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板在不同裝藥量下的破壞特征和破壞模式。
結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用情況,對(duì)2種波紋鋼加固鋼筋混凝土板展開了接觸爆炸試驗(yàn)。2種試件的基體為鋼筋混凝土板,板厚315 mm,平面尺寸2 000 mm×2 000 mm,采用HRB400鋼筋φ14 mm @200 mm×200 mm雙層布置,鋼筋保護(hù)層15 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40,28 d后的抗壓強(qiáng)度為43.6 MPa。試件背爆面呈雙向余弦三維波紋狀,波高165 mm,波峰距離300 mm。為了對(duì)比分析POZD涂層對(duì)抗爆性能的影響,在試件1背爆面內(nèi)襯3 mm厚的波紋鋼,試件2背爆面內(nèi)襯3 mm厚的波紋鋼并涂覆12 mm厚的POZD涂層。試件示意圖如圖1所示,試件幾何尺寸和配筋方式如圖2所示。POZD材料是在聚脲化合物高分子材料基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種聚合物高分子材料,其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能如文獻(xiàn)[15-16]所示。
圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of model structure
圖2 試件幾何尺寸和配筋方式Fig.2 Dimensions and reinforcement layout of specimen
采用一定當(dāng)量的TNT炸藥以接觸爆炸的形式進(jìn)行試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。將試驗(yàn)?zāi)P桶仓糜阡撝浦Ъ苌?模型底面的波峰與鋼支架的橫梁相切,并利用G型夾這種近似固支的方式將模型的 4個(gè)邊界都固定在鋼架上。模型底部懸空用來模擬結(jié)構(gòu)的空置狀態(tài)。將TNT炸藥放在鋼筋混凝土板上表面的中心實(shí)施接觸爆炸,通過觀察板底面破壞狀況來判斷其抗爆性能。試驗(yàn)工況如表1所示。
圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of test device
表1 試驗(yàn)工況
單塊TNT炸藥的質(zhì)量為200 g,大小為長(zhǎng) 100 mm×寬50 mm×高25 mm。2次爆炸所使用的裝藥量均為200 g的倍數(shù),以免切割單塊TNT炸藥,保證爆炸試驗(yàn)的安全性。將透明膠帶將TNT炸藥塊固定成近似立方體的爆炸源并放置在試驗(yàn)?zāi)P蜕?如圖4所示。
圖4 TNT的形狀和尺寸Fig.4 Shape and size of TNT
結(jié)合試件尺寸,利用ANSYS/LS-DYNA軟件完成實(shí)體建模、材料定義、接觸定義、網(wǎng)格劃分和邊界條件定義,如圖5所示。其中混凝土、波紋鋼板、POZD涂層材料、空氣和炸藥都采用三維實(shí)體單元,鋼筋采用梁?jiǎn)卧?炸藥和空氣采用多物質(zhì)任意拉格朗日-歐拉(ALE)法建模。考慮到混凝土板變形區(qū)域的大小和炸藥爆炸后所產(chǎn)生的沖擊波范圍,通過關(guān)鍵字BOUNDARY_NON_REFLECTING給空氣域施加無(wú)反射邊界,以確保壓力不會(huì)反射到模型表面。最后對(duì)混凝土板的四周x軸、y軸、z軸方向施加位移邊界約束。為確保數(shù)值計(jì)算的精度,采用局部網(wǎng)格加密的方法進(jìn)行分析,如圖6所示。模型中心 1 000 mm×1 000 mm×315 mm部分采用尺寸10 mm的網(wǎng)格,鋼筋、TNT炸藥均采用尺寸10 mm的網(wǎng)格,為了觀察到背爆面波紋鋼和POZD涂層的變化,將其網(wǎng)格的長(zhǎng)、寬尺寸均設(shè)為10 mm,沿厚度方向的網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)為1 mm,其余部分皆采用尺寸20 mm×20 mm 的網(wǎng)格??諝庥虻某叽鐬殚L(zhǎng)2 200 mm×寬 2 200 mm×高95 mm,在靠近中心部分長(zhǎng)900 mm×寬900 mm×高48 mm處采用尺寸10 mm的網(wǎng)格,靠近邊界處的網(wǎng)格采用20 mm的尺寸。有限元網(wǎng)格界都具有收斂性。
圖5 三維模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of three-dimensional model structure
圖6 1/4模型網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Diagram of 1/4 model meshing
POZD材料用LS-DYNA軟件中的MAT_PIECEWISE _LINEAR_PLASTICITY材料模型表示,該模型是多線段彈塑性材料模型,可以定義斷裂應(yīng)變值,并且可以輸入不同應(yīng)變率下的應(yīng)力?;诿绹?guó)空軍實(shí)驗(yàn)室對(duì)聚脲在不同應(yīng)變率下的165次測(cè)量[17],使用特殊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來定義POZD材料的材料性能,如圖7所示。本文將POZD材料的拉伸失效應(yīng)變定義為0.85,即當(dāng)POZD應(yīng)變達(dá)到0.85(拉伸試驗(yàn)測(cè)得)時(shí)刪除POZD單元[18-19],具體參數(shù)如表2所示。
圖7 不同應(yīng)變率下聚脲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves of polyurea at various strain rates
表2 POZD材料參數(shù)
混凝土采用CONCRETE_DAMAGE_Rel3材料模型,參數(shù)選自文獻(xiàn)[20],如表3所示。
表3 混凝土材料參數(shù)
Q235波紋鋼和HRB400鋼筋采用MAT_PLASTIC_ KINNEMATIC材料模型表示,應(yīng)變率通過Cowper-Symonds模型來描述,參數(shù)選自文獻(xiàn)[21],如表4 和表5所示。
表4 波紋鋼材料參數(shù)
表5 鋼筋材料參數(shù)
TNT炸藥本構(gòu)模型采用高能炸藥模型材料表示,用JWL狀態(tài)方程描述,參數(shù)如表6所示。空氣視作無(wú)黏性理想氣體,其狀態(tài)方程用NULL模型和LINEAR_POLYNOMIAL多項(xiàng)式表示,參數(shù)如表7所示,詳見文獻(xiàn)[22-23]。
表6 TNT炸藥材料參數(shù)
表7 空氣材料參數(shù)
混凝土在爆炸沖擊載荷作用下,迎爆面出現(xiàn)爆坑,背爆面毀傷剝落。隨著裝藥量的增加,迎爆面的爆坑直徑和背爆面的剝落直徑均增大。當(dāng)藥量達(dá)到一定量時(shí),在爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物和沖擊波共同作用下,混凝土板會(huì)發(fā)生沖切穿孔破壞,形成沖切道。在數(shù)值模擬中,將迎爆面爆坑的最大直徑定義為爆坑直徑,沖切道的最小直徑定義為沖切道直徑。
圖8為波紋鋼加固鋼筋混凝土板(試件STB)試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖,具體數(shù)據(jù)如表8所示。由于混凝土介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度,在TNT炸藥的沖擊載荷作用下,試件STB混凝土部分發(fā)生了沖切破壞,沖切道直徑141 mm,如圖8(a)所示。試件STB迎爆面產(chǎn)生一個(gè)近似圓形的爆坑,爆坑直徑300 mm。透過爆坑可以看到鋼筋產(chǎn)生了輕微的扭曲變形但是并未發(fā)生斷裂。背爆面大量混凝土碎片掉落,但由于鋼板的約束,并未出現(xiàn)混凝土飛濺的現(xiàn)象。從圖8(c)中可以看到,波紋鋼板破損嚴(yán)重,在接近中心的部分發(fā)生嚴(yán)重變形,形成一個(gè)橢圓形鼓包,橢圓長(zhǎng)徑750 mm、短徑300 mm,鼓包高度 105 mm,紋鋼板與混凝土基體脫離。
圖8 STB試件試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of experimental and numerical results of STB specimen
表8 STB試件試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果
由圖8(b)可知,數(shù)值模型迎爆面產(chǎn)生直徑280 mm的爆坑,與試驗(yàn)誤差為6.7%;沖切道直徑136 mm,與試驗(yàn)誤差為3.6%。從圖8(d)中可以觀察到,數(shù)值模型背爆面形成橢圓形鼓包,鼓包長(zhǎng)徑742 mm,短徑289 mm,鼓包高度130 mm,與試驗(yàn)誤差為7.9%。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,可以合理模擬結(jié)構(gòu)的損傷情況。經(jīng)分析,造成數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有誤差的原因可能是數(shù)值模擬采用了理想的固定約束條件和確定的爆心高度;而在試驗(yàn)中,往往由于固定約束的偏差和起爆位置的不準(zhǔn)確性等客觀因素,導(dǎo)致數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。
圖9為POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板(試件SPB)試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比圖,具體數(shù)據(jù)如表9 所示。從圖9(a)中可以看到,試件SPB迎爆面產(chǎn)生爆坑,爆坑直徑323 mm。混凝土部分被貫穿破壞,形成直徑約162 mm的沖切道,損壞的混凝土從正面迸射出來,散落在試件附近。鋼筋在混凝土板中顯現(xiàn),其基本形狀完好,未發(fā)生較大程度的扭曲變形。如圖9(c)所示,試件SPB的背爆面形成橢圓形鼓包,未發(fā)生破裂,橢圓長(zhǎng)徑963 mm、短徑352 mm,鼓包高度91 mm,且波紋鋼板沒有與混凝土板分離。
圖9 SPB試件試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental and numerical results of SPB specimen
表9 SPB試件試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果
由圖9(b)可知,數(shù)值模型迎爆面產(chǎn)生直徑 358 mm 的爆坑,與試驗(yàn)測(cè)得的323 mm誤差13.0%;沖切道直徑186 mm,與試驗(yàn)測(cè)得的162 mm誤差14.8%。從圖9(d)中可以觀察到,數(shù)值模型背爆面形成橢圓形鼓包,鼓包長(zhǎng)徑997 mm、短徑 376 mm,鼓包高度96 mm,與試驗(yàn)誤差為5.3%。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差較小,在計(jì)算可接受的范圍內(nèi)。
為對(duì)比驗(yàn)證試件STB和試件SPB的抗爆性能優(yōu)劣,對(duì)試件STB在4 000 g TNT炸藥接觸爆炸下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬,如圖10所示。從圖10(a)中可以看到,在爆炸沖擊作用下,STB試件的迎爆面出現(xiàn)了直徑約為361 mm的爆坑,混凝土部分形成直徑約191 mm的沖切道;試件背爆面波紋鋼板被撕裂,整個(gè)結(jié)構(gòu)被貫穿破壞,如圖10(b)所示。整理歸納試件STB和試件SPB的毀傷特征數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析對(duì)比,結(jié)果如表10所示。在4 000 g TNT炸藥的沖擊載荷作用下,試件STB迎爆面產(chǎn)生直徑361 mm 的爆坑和直徑191 mm的沖切道,試件SPB迎爆面產(chǎn)生直徑358 mm的爆坑和直徑186 mm的沖切道,相差并不明顯。STB整個(gè)試件被貫穿破壞,失去了繼續(xù)承載的能力;SPB試件卻保持了完整性,被POZD涂層涂覆的波紋鋼僅發(fā)生了變形,并未發(fā)生破裂,仍具有繼續(xù)承載的能力。上述現(xiàn)象說明,在波紋鋼板上噴涂POZD涂層可以有效提高試件的抗爆性能。
圖10 STB試件數(shù)值結(jié)果(4 000 g TNT)Fig.10 Numerical results of STB specimen (4 000 g TNT)
表10 試件損傷分析
從能量發(fā)散和能量吸收的角度看,當(dāng)波紋鋼加固鋼筋混凝土板沒有涂覆POZD涂層材料時(shí),由于混凝土的波阻抗小于波紋鋼板的波阻抗,爆炸載荷產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊波有一部分被反射和透射,如圖11所示。當(dāng)POZD涂層材料涂覆波紋鋼板后,爆炸沖擊將分別在混凝土和波紋鋼板的交界面以及波紋鋼板和POZD涂層的交界面引起反射和透射,如圖12所示。根據(jù)應(yīng)力波的透射原理[24],當(dāng)爆炸沖擊波穿透鋼筋混凝土板抵達(dá)波紋鋼板和POZD涂層后,波紋鋼會(huì)改變應(yīng)力波的傳播方向,將大多數(shù)應(yīng)力波集中在波峰附近,減少了混凝土板其他位置的應(yīng)力集中。而波峰處的混凝土板較厚,可以承受強(qiáng)度更高的應(yīng)力波。同時(shí),POZD涂層具備較大的延展率和塑性變形的能力,在高應(yīng)變率的強(qiáng)動(dòng)載作用下,仍然能夠保持大變形、高塑性特性。在鋼筋混凝土板發(fā)生貫穿破壞后,能有效吸收飛濺的混凝土碎塊的能量,起到較好的防爆效果,大大增強(qiáng)了鋼筋混凝土板的抗爆性能。
圖11 波紋鋼加固RC板應(yīng)力波傳播圖Fig.11 Diagram of stress wave propagation of RC slabs strengthened with corrugated Steel
圖12 POZD涂覆波紋鋼加固RC板應(yīng)力波傳播圖Fig.12 Diagram of stress wave propagation of RC slabs strengthened with POZD coated corrugated Steel
為了研究POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板在不同裝藥量下的破壞模式,在保持其他參數(shù)不變的情況下(波紋鋼板厚3 mm、POZD涂層厚12 mm),對(duì)試件裝藥量分別為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg和 6 kg 下的破壞特征進(jìn)行分析,如圖13所示。由圖13 可見:當(dāng)裝藥量為1 kg時(shí),裝藥量較小,混凝土板較厚,僅在迎爆面觀察到一個(gè)圓錐形的爆坑,正面呈現(xiàn)環(huán)狀裂紋,背爆面沒有出現(xiàn)層裂;當(dāng)裝藥量達(dá)到 2 kg 時(shí),迎爆面爆坑面積變大,由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低,背爆面混凝土發(fā)生層裂脫落,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;當(dāng)裝藥量分別達(dá)到3 kg、4 kg和 5 kg 時(shí),組合板的混凝土部分被貫穿破壞,正面可以觀察到明顯的環(huán)狀裂紋,背爆面形成一個(gè)高高隆起的橢圓形鼓包,且鼓包面積和鼓包高度隨著裝藥量的增加而增加,鼓包的形成主要是在爆炸沖擊波作用下POZD涂覆的波紋鋼從基體板脫離并產(chǎn)生了較大的塑性變形所致;當(dāng)裝藥量達(dá)到6 kg時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)被炸藥產(chǎn)生的沖擊波撕裂,裂紋由沖切道向四周擴(kuò)散。
圖13 不同裝藥量下的毀傷圖Fig.13 Diagram of damage under different charge masses
Ohkubo等[25]將接觸爆炸下鋼筋混凝土板的破壞模式分為三個(gè)等級(jí):開坑、層裂和穿孔。然而,在不同程度的剝落損傷下,通常會(huì)出現(xiàn)不同的破壞模式,應(yīng)加以區(qū)分。本文在此基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值仿真的結(jié)果,劃分了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的破壞等級(jí),如圖14所示。定義如下:1)正面開坑:裝藥量為0~1 000 g時(shí),僅在迎爆面產(chǎn)生爆坑;2)背面層裂和POZD涂覆波紋鋼鼓包:裝藥量為1 000~2 000 g時(shí),迎爆面產(chǎn)生爆坑,混凝土板背爆面產(chǎn)生混凝土碎塊層裂脫落,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;3)爆炸貫穿和POZD涂覆波紋鋼板大面積鼓包:裝藥量為2 000~5 000 g時(shí),混凝土板在爆炸沖擊下發(fā)生貫穿破壞,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;4)爆炸沖切和POZD涂覆波紋鋼穿孔:裝藥量大于5 000 g時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)被貫穿破壞(以上不同破壞等級(jí)的裝藥量?jī)H適用于SPB試件)。將上述工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表11所示。
圖14 破壞等級(jí)Fig.14 Damage levels
表11 數(shù)值結(jié)果
本文通過接觸爆炸試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的抗爆性能,并對(duì)其破壞特征進(jìn)行定量分析和比較。得到以下主要結(jié)論:
1)接觸爆炸試驗(yàn)中,波紋鋼加固鋼筋混凝土板的主要破壞特征是混凝土板發(fā)生沖切破壞,背爆面波紋鋼變形嚴(yán)重,與基體分離;POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的主要破壞特征是混凝土板迎爆面爆炸成坑,背爆面混凝土層裂和POZD涂覆波紋鋼形成橢圓形鼓包。鼓包的形成主要是在爆炸沖擊波作用下POZD涂覆的波紋鋼從基體板脫離并產(chǎn)生了較大的塑性變形所致。
2)在裝藥量增加1 000 g的情況下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板整體性完好,仍具備承載能力;而波紋鋼加固鋼筋混凝土板的波紋鋼與基體分離,失去繼續(xù)承載的能力。
3)由數(shù)值模擬得到,在4 000 g TNT裝藥量條件下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板整體性完好,仍具備承載能力;而波紋鋼加固鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)被貫穿,失去繼續(xù)承載的能力。上述結(jié)果說明,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的抗爆性能遠(yuǎn)優(yōu)于波紋鋼加固鋼筋混凝土板。
4)在POZD涂層材料涂覆波紋鋼板后,爆炸沖擊將分別在混凝土和波紋鋼板的交界面以及波紋鋼板和POZD涂層的交界面引起反射和透射,且POZD材料具有高塑性特性,相比波紋鋼加固鋼筋混凝土板,降低了沖擊波強(qiáng)度,大幅度提高了結(jié)構(gòu)的抗爆性能。
5)接觸爆炸作用下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板呈現(xiàn)4種不同的破壞模式:①結(jié)構(gòu)迎爆面開坑;②結(jié)構(gòu)迎爆面開坑,背爆面混凝土層裂和POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;③混凝土板貫穿破壞,POZD涂覆波紋鋼嚴(yán)重鼓包變形;④整個(gè)結(jié)構(gòu)被貫穿破壞。