砖墙抗爆炸冲击震动效应模型试验研究

李利莎，张洪海，谢清粮，杜建国

(总参工程兵科研三所，河南洛阳 471023)

砖墙抗爆炸冲击震动效应模型试验研究

李利莎，张洪海，谢清粮，杜建国

(总参工程兵科研三所，河南洛阳 471023)

为研究砖墙在爆炸冲击震动作用下的破坏模式及阈值，据工程内砖墙实际情况建立简化的底部固定、周边无约束砖墙模型，在模拟爆炸震动冲击试验台上进行三方向单独作用的冲击试验，研究砖墙模型的动态响应及破坏时加速度峰值、作用时间。结果表明，遭水平向冲击时模型均表现为水平通缝破坏。破坏主要由受拉而非剪切所致。通过对试验结果分析，获得三个冲击方向独立作用下的破坏阈值。

砖墙;爆炸冲击震动;模型试验;破坏阈值

砖墙广泛用于建筑物外墙及内部分割空间的非承重墙主要承受压力作用，抗拉、抗弯、抗剪强度较低，因此拉力、剪力作用易导致结构松散而毁坏。资料表明［1－3］，在触地核爆或地下封闭核爆时，虽防护工程主体完好，但爆炸产生的地冲击震动仍十分强烈，能引起防护工程内部砖隔墙倒塌及仪器设备等损坏。随爆破施工日益频繁，由爆破所致地震效应通常也会引起砖墙开裂、甚至倒塌。因此，研究爆炸冲击震动对砖墙安全性影响意义重大。

砖墙、砌体结构的破坏研究主要集中于抗地震、抗爆炸空气冲击波领域［4－6］，而对抗爆炸震动［7－10］则主要通过对爆破拆除、民用开采、隧道开挖等工程的大量震动测量结果的研究与分析，认为在瞬态爆炸震动作用下工程结构破坏主要因素为质点速度。因此，普遍采用速度作为爆破地震危害判据;但将地面质点速度作为结构破坏的唯一判据并不准确，因其未考虑结构固有特性如自振频率及震动信号频率特性等，而此特性对结构动态响应同样关键。Dowding等［10］研究表明，结构反应与频率相关性较大，并通过实例说明质点速度峰值接近两波形(爆炸A为3.8×10－3m/s、爆炸B为3.3×10－3m/s)产生的结构响应相差较大，即在民房及组成部分自振频率5～20 Hz范围内，爆炸B产生的结构响应约为爆炸A的10倍。

本文通过研究，以期弄清砖墙在爆炸震动作用下的破坏模式，探索爆炸震动对砖墙的破坏机理，给出砖墙的破坏阈值，为工程结构的爆炸震动防护设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设备

室内冲击试验在总参工程兵科研三所大型冲击模拟试验台上进行，试验装置［11］见图1。该装置模拟原理为:爆炸产生的震动与爆炸方式、当量、侵入深度、介质状况、结构埋深等多种因素有关，虽震动信号各不相同，但对效应物的作用相同。若将多自由度系统效应物简化为具有相同阻尼比的多个单自由度系统，爆炸震动对效应物的作用效果与对各单自由度系统作用效果相同时可对爆炸震动加速度信号进行反应谱分析，用半正弦加速度脉冲反应谱包络，则半正弦脉冲加速度值即为爆炸震动的等效加速度值，半正弦脉冲作用时间即为爆炸震动加速度等效作用时间，使爆炸震动对效应物作用统一衡量尺度，因此爆炸震动模拟与对效应物的作用效果等效。由冲击试验机产生的近似半正弦脉冲加速度信号可通过调整冲击加速度值及作用时间实现对爆炸震动模拟。

图1 爆炸震动模拟冲击试验台Fig.1 Shock testing machine for simulating blast

试验台工作原理为由冲击气压推动冲击锤撞击台体产生一定加速度模拟核爆炸及常规武器爆炸震动环境。冲击台面面积1.7 m×1.2 m，最大负荷20 kN，冲击加速度峰值范围为5～200 g，脉冲作用时间5～45 ms，冲击方向为垂直、水平。试验中通过调整冲击气压及垫层厚度改变冲击加速度峰值及主脉冲宽度。

1.2 砖墙模型形状选取

对一间房间或相邻房间而言，可认为爆炸冲击对砖墙产生整体震动，墙体与其连接墙体共同运动时，不但承受自身振动荷载，亦将承受其它墙体荷载，因此不能简单简化为单面墙;受条件限制，不能进行一排砖墙模型试验，只能选典型部分进行重点研究。因此，试验模型设计时将整体砖墙拆分为连续的“工”字形单元，研究该单元在冲击荷载作用下的动力响应，每个“工”字形单元在爆炸震动作用下整体振动。因冲击台承载能力有限，砖墙模型加各连接件重量已接近其承载能力上限，不能通过在砖墙模型上施加质量建立考虑重力加速度等效的人工质量等效比例模型;亦不能在翼墙两侧施加约束(因加约束的连接件需足够刚度，若满足一定刚度要求，整个模型重量超出冲击台承载能力，只能进行理论简化)。故选两种底部固定、周边无约束的“工”字形截面模型，研究其三方向受冲击震动作用的动态响应。

1.3 模型试验比例系数

进行室内冲击试验时选1∶2忽略重力加速度等效比例模型。据相似律［12］结构模型相似比例系数见表1。

表1 模型试验相似系数Tab.1 Similarity coefficients of model experiment

1.4 砖墙模型

选两种“工字形”砖墙比例模型见图2。其中两翼墙长×宽×高≈600 mm×118 mm×1 000 mm、中间横墙长×宽×高≈1 082 mm×118 mm×1 000 mm(称长模型)见图2(a);两翼墙长×宽×高≈600 mm×118 mm×1 000 mm、中间横墙长×宽×高≈882 mm×118 mm×1 000 mm(称短模型)见图2(b)。该模型为砖墙简化比例模型，在翼墙处未加任何约束。试验用小砖由强度等级为MU10的普通烧结粘土砖经机械切割而成，1块原砖切成8块试验砖，三方向对半切割，切割后外形尺寸平均118 mm×55 mm×24 mm，砂浆缝控制在4～5 mm，砖墙模型平均密度1 651 kg/m3。模型底座由14a#槽钢与5#角钢焊接成工字型，并在槽钢内浇注钢纤维混凝土，见图2(c)，两边槽钢长度均为1 000 mm，两边槽钢中心线相距分别为1 200 mm、1 000 mm，两种模型底座平均重量分别为65 kg、61 kg。

图2 砖墙模型及模型底座示意图Fig.2 Masonry wall model and model base

2 试验结果与分析

2.1 纵向水平冲击试验及分析

纵向水平方向进行3组共9个模型冲击试验，冲击方向平行于砖墙模型中间横墙轴线，安装、冲击方向及加速度测点位置见图3，砖墙采用长模型，各组之间砂浆强度稍有差别。测试冲击台体、连接钢板等处冲击加速度及砖墙动应变、墙顶加速度等参数。每个模型均由小冲击震动输入开始，通过调整冲击气压及垫层厚度改变冲击加速度峰值及主脉冲宽度，记录每次冲击加速度等参数及模型宏观破坏现象，直至砖墙模型完全破坏。

图3 纵向水平冲击试验模型安装及测点布置图Fig.3 Model installation and measuring point arrangement in the longitudinal horizon shock experiment

篇幅所限，只选典型的第2组3个模型试验进行介绍，该组模型砂浆强度4.77 MPa，自振频率约67 Hz (垂直冲击方向基频)、138 Hz(平行冲击方向基频)。2－4#模型共进行8次冲击试验，第5次冲击时模型南翼墙东侧底部附近出现可见细缝;2－5#模型共进行7次冲击试验，第5次冲击时宏观未见细缝，但据加速度等信号的严重异常判断模型此时已产生局部破坏;2－6#模型共进行3次冲击试验，第2次冲击时模型南翼墙东侧底部附近见细缝，与2－4#模型相似。

该组3个模型宏观破坏现象一致。完全破坏时裂缝均出现在底部第1、2皮砖之间，向南部滑移距离稍不同，2－4#向南滑移约25～30 mm，2－5#向南滑移约70～80 mm，2－6#向南滑移约27～28 mm。该组模型在正向加速度作用下首先在最南端底部第1、2皮砖之间拉裂，随冲击台继续运行裂缝越来越大，破坏的部分墙体被拉高，底部裂缝迅速向另侧发展，基本已扩展到另侧翼墙处;由于负向加速度作用，南端一侧被拉裂墙体下落，此时最北端墙体在底部第1、2皮砖间拉裂，裂缝增大，该侧墙体被拉起，裂缝向另侧发展形成通缝，导致模型整体破坏。此时冲击台体已处于负向加速度状态，即向前运行速度逐渐减小，因此完全拉裂墙体将以破坏时初速度在两者交界面上继续向前滑行，完全破坏时向前初速度不同致3个模型向前滑移距离不同。模型完全破坏时典型的宏观破坏见图4，钢板南端加速度及模型宏观破坏见表2。

图4 纵向水平冲击试验模型破坏情况Fig.4 Failure of models in the olngitudinal horizon shock experiment

表2 纵向水平冲击试验第2组加速度参数及宏观破坏现象Tab.2 Acceleration parameters and macroeconomic failure of the 2nd group in the longitudinal horizon shock experiment

典型的加速度信号见图5。由图5(b)看出，2－5#模型在第4次冲击时加速度信号仍正常，而第5次冲击时加速度波形类似图5(a)，产生严重异常，在峰值处存在明显突变现象，即反方向大幅回落，由波形判读可知，2－4#模型在第5次冲击时产生局部破坏。

图5 纵向水平冲击试验加速度信号Fig.5 Acceleration signals in the longitudinal horizon shock experiment

2.2 横向水平冲击试验及分析

砖墙采用短模型进行1组3个模型的水平冲击试验。模型编号1－1#～1－3#;冲击方向由北向南垂直中间横墙轴线水平，安装、冲击方向及加速度测点见图6。模型砂浆强度4.20 MPa，自振频率分别为74.30 Hz (平行冲击方向基频)及128.40 Hz(垂直冲击方向基频)。

图6 横向水平冲击试验模型安装及测点布Fig.6 Model installation and measuring point arrangement in the transversal horizon shock experiment

3个模型均只进行1次冲击试验，其中1－1#模型在吊装过程中西翼墙南端局部已出现可见细缝，位于模型第2、3皮砖之间。由于3个模型破坏过程类似，此处仅介绍1－1#。西翼墙最南端第2、3皮砖之间首现受拉断裂，裂缝继续向北发展，翼墙破坏已超过横墙，横墙西侧出现裂缝，南侧墙体拉起;南侧墙体下落两翼墙在最北端第2、3皮砖之间拉裂并向南发展，西侧翼墙已产生贯通性裂缝，脱离底部向南滑移，东侧翼墙未产生贯通性裂缝，中间横墙整体破坏，整个模型以东翼墙南端为中心向南偏东方向转动;北侧墙体落下，南侧墙体重新被拉起。1－1#及1－2#模型整体破坏状态见图7，横向水平冲击试验加速度及模型宏观破坏现象见表3。

图7 横向水平冲击试验模型破坏情况Fig.7 Failure of models in the transversal horizon shock experiment

横向水平冲击试加速度测试信号见图8。由图8看出，1－1#模型在加速度峰值附近测试信号出现异常，而1－2#模型则分别在21 m/s2、29 m/s2附近加速度出现异常。在横向水平冲击震动作用下翼墙底部拉裂破坏对冲击台反作用较小，因此模型拉裂部分被拉起时引起的波形异常不及纵向水平冲击模型时剧烈。由此，经对加速度波形的判读可认为1－1#模型在接近加速度峰值时产生破坏，而1－2#则在21.0～29.0 m/s2附近产生破坏。

表3 横向水平冲击试验加速度参数及宏观破坏现象Tab.3 Acceleration parameters and macroeconomic failure in the transversal horizon shock experiment

图8 横向水平冲击试验加速度信号Fig.8 Acceleration signals in the transversal horizon shock experiment

2.3 垂直冲击试验及分析

垂直方向进行2组共6个模型试验，安装及冲击方向见图9，其中砖墙用短模型。

图9 垂直冲击试验模型安装及测点布置Fig.9 Model installation and measuring point arrangement in the vertical shock experiment

现只介绍第2组编号2－1#～2－3#模型。3个模型砂浆强度均4.77 MPa，垂向自振频率为330 Hz。2－1#模型进行2次冲击试验。安装时东翼墙底部1、2皮砖之间局部已现细缝，第1次冲击后原裂缝继续扩展，第2次冲击时模型整体沿1、2皮砖间脱离，并向东滑移约4 cm。2－1#第2次向上冲击过程中，模型与冲击台呈西高东低现象，先在原有裂缝处拉裂并迅速整体拉裂;随冲击台向上速度降低及下落，完全拉裂的墙体部分与其它部分脱离并高高抛起，上部断裂墙体下落后东端先接触下部底座;上部断裂墙体下落后南北向来回晃动明显。断裂墙体下落时整体向东移动，完全破坏状态见图10(a)。2－2#模型共进行4次冲击试验，前3次模型无明显宏观破坏，第4次冲击时模型在底部1、2皮砖(局部在2、3皮砖)之间破坏，东翼墙向南滑移约1.4 cm，西翼墙南侧无滑移现象，整体以西翼墙南侧为轴有水平转动迹象，整体破坏状态见图10(b)。2－3#模型亦进行4次冲击试验。第2次冲击时模型西翼墙南侧及中间横墙南侧面西部1、2皮砖之间已现极细裂缝;第3次冲击时底部1、2皮砖之间已现水平通缝;第4次冲击时模型在底部1、2皮砖之间完全脱离，向南滑移约2.3 cm，并伴有向东南方向轻微转动，整体破坏状态如图10(c)。2－2#模型第4次加速度信号见图11。

图10 垂直冲击试验模型破坏情况Fig.10 Failure of models in the vertical shock experiment

图11 垂直冲击试验2－2#模型第4次的加速度信号Fig.11 Acceleration signals of the 4th of model 2－2#in the vertical shock experiment

垂直冲击试验第2组加速度及破坏见表4。由表4看出，若不考虑撞击加速度，模型承受的加速度峰值并不大。正向最大加速度峰值为112.70 m/s2，此时模型底部压应力最大，但较砖墙模型抗压强度该应力水平太小，不足以使模型受压破坏;同样负向加速度峰值最大不超过35 m/s2，此时底部拉应力最大，即使加上整个模型因台体倾斜转动产生的拉应力，该应力水平也不会引起砖墙模型的受拉破坏。因此可认为垂直向上的冲击试验并未使砖墙模型破坏，唯一引起模型破坏的原因为冲击台连砖墙模型与冲击台基座碰撞。

为研究台体与基座碰撞加速度，进行垂直向冲击第3组3个模型试验，记录的碰撞加速度波形见图12。台体与基座碰撞瞬间台体加速度见表5。由表5看出，台体碰撞时产生的负向加速度较大。实测台体加速度波形位于冲击台南端东西方向中心处，由于冲击过程中台体呈明显的西高东低现象，使碰撞时台体东西两端加速度峰值较中心处实测加速度峰值大。

表4 垂直冲击试验第2组加速度参数及宏观破坏现象Tab.4 Acceleration parameters and macroeconomic failure of the 2nd group in the vertical shock experiment

由于台体倾斜程度不同，其间比例亦不相同，无法通过碰撞时台体南端中央处加速度峰值计算台体其它位置加速度峰值，较难给出模型在瞬时垂直向加速度作用下准确的破坏极限;考虑砖墙模型整体转动影响，据试验结果认为模型做垂直冲击试验时在台体碰撞过程中由于负向加速度及模型转动影响引起拉裂破坏，对应的参考加速度峰值约－200 m/s2。

图12 垂直冲击试验3－1#模型第1次台体撞击加速度信号Fig.12 Acceleration signals of the 1st of model 3－1#at the moment of impaction in the vertical shock experiment

表5 垂直冲击试验第3组台体碰撞加速度参数及宏观破坏现象Tab.5 Acceleration parameters and macroeconomic failure of the 3rd group in the vertical shock experiment

3 结论

(1)水平向冲击时模型均表现为水平通缝破坏。该破坏主要因受拉所致而非剪应力引起;模型局部现宏观破坏后承载能力明显降低，即使后续施加的加速度与引起破坏时加速度幅值相近或略小，也会致模型破坏严重;模型现宏观局部破坏后若再次受冲击加速度小于一定数值亦不会致破坏更大。

(2)垂直方向冲击时模型破坏并非由竖向冲击作用引起，而由台体与基座碰撞所致;模型破坏为由碰撞时负向加速度使其受拉导致，即受拉破坏。

(3)砂浆强度4.20～5.97 MPa的砖墙模型承受纵向水平冲击、加速度主脉冲宽度26.7～41.1 ms时，宏观开裂或破坏加速度平均峰值为107.65 m/s2;受横向水平冲击、加速度主脉冲宽度为48.3～49.8ms时，模型宏观开裂或破坏时加速度平均峰值为27.0 m/s2;受垂直方向冲击、主脉冲宽度为5.2～10.5 ms时，模型破坏时垂向加速度峰值约－200 m/s2。

(4)3个独立冲击方向中，水平横向冲击时模型抗震能力最低，垂直向上冲击时模型抗震能力最高。

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Model experiments on blast shock vibration resistance of masonry wall

LI Li－sha，ZHANG Hong－hai，XIE Qing－liang，DU Jian－guo
(The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China)

In order to investigate the failure pattern and threshold value of masonry wall under blast shock vibration loads，according to the practical situation of masonry wall in engineering，simplified masonry wall models were established.Experiments under the shock loads acting seperately in three directions were carried out on a shock testing machine for simulating the blast.The dynamic responses of the masonry wall models under the action of shock and vibration as well as the peak values and operation time of acceleration at the moment of failure were investigated.The results show that，for the masonry wall with bottom fixed and all－around constraint unconfined under the load of horizontal shock，the failure displays the form of horizontal straight joint damage.The failure is mainly caused by tensile stress instead of shearing stress.The failure threshold value under the shock loads acting seperately in three directions was obtained by analysis on the experimental results.

masonry wall;blast shock vibration;model experiment;failure threshold value

TU362

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.036

2013－06－19修改稿收到日期:2014－02－11

李利莎男，硕士，助理研究员，1979年生

张洪海男，副研究员，1968年生

邮箱:zhh_1968@139.com