成层式结构泡沫空心球分配层抗爆性能试验研究

任新见，张庆明，刘瑞朝

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023）

成层式结构泡沫空心球分配层抗爆性能试验研究

任新见1，2，张庆明1，刘瑞朝2

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023）

分别采用黄沙和泡沫空心球为分配层制作不同的成层式工程结构模型，通过大比尺集团装药标准试验、对比试验和二次爆炸试验，考察了采用泡沫空心球作分配层时成层式结构的抗爆性能。试验结果表明，在相同的爆炸荷载作用下，分配层采用泡沫空心球时，成层式结构的防护层破坏比采用黄沙作分配层时严重，但分配层下方相同位置的压力前者远小于后者；相比传统成层式结构，新型成层式结构具有更好的防护效果。

泡沫空心球；分配层；成层式结构；防护性能

成层式结构是目前国内外普遍采用的一种防护结构形式，见图1［1］。覆土层、遮弹层和分配层合称为防护层。覆土层一般铺设自然土，对下部结构进行伪装；遮弹层通常由钢筋混凝土或块石构成，确保不被炮、炸弹等兵器穿透，迫使其在遮弹层内爆炸；分配层通常由一层干沙或松散土构成，将冲击和爆炸荷载分散到较大面积上，使弹丸爆炸后支撑结构顶盖不受局部破坏作用，同时削弱爆炸引起的震塌，对支撑结构起良好的减震作用。

图1 典型成层式防护结构示意Fig.1 Sketch of a typical multilayered protective structure

成层式结构比整体式结构在形式上更加合理，更能充分发挥材料的防护作用，自20世纪出现以来，在防护工程建设中得到广泛应用。近20年来，常规武器向着“深侵彻、大当量和高精度”方向发展，其侵彻能力和爆炸威力不断提高。为适应这种趋势，各国科研人员围绕常规武器的破坏效应、遮弹层和支撑结构的防护能力进行了深入研究，并提出了多种计算和设计方法，但研究重点多集中于增强抗常规武器的侵彻能力，相对忽视了对强爆炸波破坏效应的研究［2－3］，以至于针对分配层的研究较少，利用分配层来提高工程防护能力方面的工作还做得不够。在大当量钻地武器的打击下，即使遮弹层能有效拦截来袭弹药，分配层厚度仍可能会很大，因此急需采用新的措施，使分配层能在有限厚度内迅速衰减冲击波，并将爆炸荷载转移到更大的面积上去。

为了提高地下防护结构在核爆和各种常规武器触地爆条件下的生存能力，美军尝试在分配层中充填多孔、大变形低密度回填材料削弱爆炸引起的应力波及地运动对结构的破坏［4］。美国陆军水道试验站研究了采用不同回填材料减缓防护结构爆炸荷载压力的效果［5－6］，指出具有明显屈服点并有较大变形能力的弹塑性材料（聚乙烯骨料混凝土、泡沫玻璃、聚氨酯泡沫等）比没有明显屈服点但有一定压缩性的材料（粘土、煤灰等）能更有效吸收冲击能量。唐德高研究了泡沫混凝土作为地下坑道回填材料的抗爆吸能效果；赵凯［1］研究了分配层为泡沫混凝土时成层式结构对爆炸波的衰减和弥散作用。泡沫材料高而长的应力屈服平台决定了它优良的吸能特性，工程防护是其主要用途之一，现阶段的研究热点集中于泡沫金属领域［7－8］；但因其自身强度不高，爆炸等强动载作用下易发生断裂，故不适于单独作为抗冲击防护结构［9］。

薄壁壳体结构作为缓冲、吸能元件是近年来防护设计的一个新思路，圆管、圆环和球壳都是有效的能量吸收元件。宋宏伟等［10－11］将泡沫材料与薄壁壳体结构相结合，获得了较好吸能效果。泡沫材料与薄壁结构结合后，在吸能方面的一个重要现象是相互作用效应，即复合结构的吸能效果大于相同加载条件下独立的泡沫材料和薄壁结构的吸能效果之和；此外，在承受冲击波荷载时，由于壳间空穴对应力波的绕射和隔离效应，在进一步减轻材料重量的同时，大大增强了材料对波的弥散和衰减，而壳体的高韧性也提高了材料的强度。

泡沫与薄壳复合结构具有泡沫材料和薄壳结构的双重优势，在吸能耗能和衰减应力波等方面效果突出且具有较高性价比，有望在工程防护领域内得到广泛应用，值得进一步深入研究；但目前其主要研究对象多限于试验室中的试件和构件，加载方式多是静载或稳态的谐波荷载［12－13］，难以将其推广到爆炸等强动载作用下大尺度的防护结构设计。这里将泡沫空心球材料应用于成层式防护结构的分配层，进行大比尺野外化爆相似模拟试验，研究采用泡沫空心球作分配层的成层式结构对爆炸波的衰减效果。

1 试验设计

为了分析、检验采用泡沫空心球材料作分配层的成层式结构的防护性能，并考察泡沫空心球在重复荷载作用下的吸能特性，设计开展三类化爆试验，共计7炮次。试验的具体设计说明见表1。

采用相似模拟试验，缩尺比取1∶4，试验模型中与原型结构对应的覆土层、遮弹层、分配层和顶板的厚度依次分别为25、30、30和30 cm。模型平面尺寸按边长180 cm的正方形考虑。忽略动荷载对工程主体结构顶部的耦合作用，因此顶板顶面以下按自由场（半无限大土介质）考虑。遮弹层采用C40混凝土（钢纤维掺量1%），内设上下两层钢筋网，钢筋直径10 mm，网眼20 cm×20 cm，上下两层配筋间采用Φ6.5箍筋联系。标准试验采用颗粒级配属Ⅱ区的Ⅱ类天然中沙（细度模数2.3～3.0，密度ρ＝2.65 g／cm3）作分配层，对比试验采用泡沫空心球作分配层。泡沫空心球直径6 cm，壁厚1.5 cm，基体材料为硬质聚氨酯泡沫（密度ρ＝0.23 g／cm3，准静态下屈服应力σs＝3.9 MPa），实物见图2。

表1 化爆试验设计说明Tab.1 Explanation on blast tests

图2 泡沫空心球实物Fig.2 Photos of hollow foam spheres

试验模拟1 000磅普通爆破航弹的爆炸，由于模型缩尺比CL＝1∶4，装药量的相似系数CQ＝CL3＝1∶64，装药的TNT当量系数为1.35，故集团装药试验的计算药量约为4.75 kgTNT。试验几何尺寸、装药及测点布置见图3。

图3 试验几何尺寸、装药及测点布置Fig.3 Sketch of blast tests

试验时放大仪器采用总参工程兵科研三所研制的YBF－3型宽带应变放大器，数据记录仪选用四川实时信号研究所生产的TST3406瞬态数据采集仪，见图4。

图4 测试设备实物Fig.4 Measurement devices

2 试验结果及分析

试验显示，以泡沫空心球作分配层的新型成层式结构与以黄沙作分配层的标准成层式结构在宏观破坏形态与测试结果方面均存在显著差异。

2.1 破坏形态

炸药引爆后，标准成层式结构覆土层形成明显漏斗坑，直径约140 cm，坑边缘距试件表面约30 cm，土体破碎、抛掷严重，见图5（a）。遮弹层试件正面形成直径约90 cm漏斗坑，坑深约1 cm，其中漏斗坑中心（即装药与混凝土板接触部位）完全碎裂，坑深约3 cm。沿漏斗坑周围形成12条径向主裂纹，最大宽度约5 mm，最小宽度约2 mm，见图5（b）。在试件翻身起吊过程中，试件中碎裂部分与试件分离，装药接触部分钢筋完全暴露。试件背面龟裂明显，密布网状裂缝，裂缝最大宽度约2 cm，最小宽度约0.5 cm，见图5（c）。

图5 标准试验覆土层与遮弹层破坏形态Fig.5 Damage status of samples after the standard test

试验对象为采用泡沫空心球作分配层的新型成层式结构时，引爆后覆土层漏斗坑直径约120 cm，明显小于标准试验的漏斗坑直径；坑边缘距试件表面高度约20 cm，接近覆土层初始高度，小于标准试验；漏斗坑周围被夯实的土体爆炸后完全破碎成块，完整性差。遮弹层试件正面漏斗坑清晰可见，如图6（a），坑直径约110 cm，深度约5 cm，尺寸明显大于标准试验。坑中心混凝土与钢筋网失去粘接力，在试件翻身起吊过程中自然脱落，试件上下表面贯穿。试件背面混凝土大面积崩落，满布辐射状裂缝，宽度在1～3 cm之间，钢筋网暴露明显。分配层中泡沫空心球材料部分破碎，坑中心附近（即装药正下方）破碎尤为严重，如图6（b）。

图6 对比试验遮弹层与分配层破坏形态Fig.6 Damage status of samples after the contrast test

在对比试验的基础上，对采用泡沫空心球作分配层的新型成层式结构进行二次爆炸试验。二次爆炸作用后，覆土层漏斗坑直径与深度与一次爆炸时相比未有明显增加。遮弹层试件正面形成直径约130 cm漏斗坑，坑深约5 cm；生成径向裂缝17道，裂缝宽度为3～5 mm不等，沿厚度方向贯穿混凝土试件，见图7 （a）。坑内混凝土完全粉碎，在试件起吊过程中自然脱落，堆积于坑底，高约20 cm。试件背面被完全贯穿，贯穿面积与正面漏斗坑面积基本相当；钢筋网向外凸出，翘曲变形严重；贯穿孔周围密布辐射状径向裂缝，长度延伸至试件几何边缘，见图7（b）。分配层中泡沫空心球破坏严重，坑中心附近几乎完全破碎，见图7（c）。

图7 重复爆炸试验遮弹层与分配层破坏形态Fig.7 Damage status of samples after the repeated blast test

比较标准试验和对比试验试件的破坏形态可知，标准试验中覆土层漏斗坑直径、深度均大于对比试验，但遮弹层试件表层漏斗坑直径、深度均小于后者。对比试验中，试件表层夯实土体与试验坑周边土体试验前为一整体，但试验后二者发生明显错层，试件整体发生竖直向下位移。

标准试验中遮弹层试件背面破坏以破裂为主，混凝土仍附着于钢筋网，试件仍具一定整体性；而对比试验、重复爆炸试验中试件装药正下方均被贯穿，试件背面发生大面积崩落，裂缝的宽度和深度普遍大于标准试验，即对比试验、重复爆炸试验中遮弹层试件的变形和破坏程度均大于标准试验。

在受到二次爆炸作用后，覆土层漏斗坑直径与深度并未在对比试验的基础上明显增加，但试件和泡沫空心球材料的破坏程度均比对比试验要严重。

2.2 压力衰减

作用在结构上的冲击波峰值压力是结构抗爆设计的主要参考指标。因此，这里主要对比分析试验结果中各测点的峰值压力，从而推定采用泡沫空心球作分配层是否比黄沙具有更好的防护性能。

图8 标准试验第1炮测点S6波形Fig.8Waveform at Gauge 6 in the No.1 standard test

标准试验第1炮由于采集设备的问题测试结果不理想（所测典型波形如图8所示），后续试验中更换了瞬态采集仪予以弥补；但由于各类试验总共进行7次，每次试验中又有少数传感器未能采集到有效信号，因此试验得到的有效数据偏少，不能进行工程经验公式的拟合，但仍能定性看出不同形式成层结构对爆炸荷载衰减效果的优劣。以测点S2为例，不同试验条件下该测点的土压力波形见图9。

由表2可知，相同位置处对比试验的峰值压力远小于标准试验（仅为后者的25%～50%，且衰减程度随着爆心距的增加而增加）；即便是在二次爆炸的情况下，对比试验的压力值仍明显小于标准试验（约为后者的60%～70%）。泡沫空心球对爆炸峰值应力的衰减效果明显优于黄沙。

图9 测点S2土压力波形对比Fig.9 Waveform comparison at Gauge 2

表2 主要测点峰值土压力对比Tab.2 Peak pressure value comparison amongmain gauges in the soil

3 夹芯防护结构抗爆效能模拟

图10是与试验对应的数值计算模型（根据对称性，仅制作四分之一模型）。4.8 kgTNT炸药埋设于覆土层中，在遮弹层顶面中心爆炸。分配层下方是90 cm厚黄土层，通过在其底部施加透射边界来模拟半无限大土场。划分八面体网格，模型侧面施加透射边界。炸药采用欧拉网格，通过流固耦合算法与结构发生相互作用。

泡沫空心球根据实际尺寸构建直径6 cm，壁厚1.5 cm的空心球壳，基体使用低密度泡沫材料模型；TNT采用高爆炸药燃烧模型和JWL状态方程，沙采用帽盖模型，遮弹层采用HJC修正模型并设定单元侵蚀准则，覆土层和自由土场中土体采用Drucker-Prager强度准则。

图10 分配层抗爆性能数值分析模型Fig.10 Numerical analysismodel on anti-detonation property of distribution layer

图11～图12为峰值应力衰减规律的数值模拟结果。由图可知，采用泡沫空心球作分配层时，数值模拟得到的各监测点应力峰值比试验实测值偏小（但误差小于30%）。这主要是由于试验时分配层中空心球自然堆砌而成，而数值模拟中难以实现自然堆砌的建模，是按照图10（b）所示按球切点为立方体顺序堆砌的，所以造成堆砌孔隙比试验时要大。而从整体的衰减趋势上，数值模拟结果与试验结果相符合，验证了泡沫空心球材料的强消波吸能特性，同时也验证了泡沫材料孔隙率越高吸能效果越显著的特征。考虑到数值计算本身的难度，如涉及爆轰产物与多种介质间的耦合作用、现场试验的复杂性及测试结果自身的误差和分散性等，这样的计算结果应该说达到了数值模拟的要求。

图11 峰值应力随埋深衰减规律数值结果Fig.11 Numerical resultsof peak stress versus embedded depth

图12 峰值应力水平衰减规律数值结果Fig.12 Numerical results of peak stress versushorizontal distance

4 结 论

通过集团装药爆炸加载条件下的大比尺相似模拟试验研究，可以得出以下结论：

（1）成层式工程防护结构采用泡沫空心球作分配层后，相同药量条件下遮弹层变形与破坏程度大于使用黄沙作分配层的结构。

（2）泡沫空心球作分配层时，结构对爆炸波峰值压力的衰减效果明显优于黄沙作分配层的结构；对于相同位置，前者所测压力数据均远小于后者。采用泡沫空心球作分配层的新型成层式结构防护性能比传统成层式结构优越。

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Tests for anti-blast performance of layered structures
w ith hollow foam spheres as distribution layers

REN Xin-jian1，2，ZHANGQing-ming1，LIU Rui-chao2

（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.The Third Engineer Scientific Research Institute，the Headquarter of the General Staff，Luoyang 471023，China）

Different layered model structures of protective engineering were constructed，their distribution layers weremade with sand or hollow foam spheres，respectively.The anti-blast performance of the layered structurewith hollow foam spheres as distribution layerswas studied using standard tests，contrast tests and repeated anti-blast testswith a big scale and group charge.The results showed that the protective layer is damagedmore seriouslywith hollow foam spheres as distribution layers than it does with sand as distribution layers，but the former's pressure at the same position under distribution layer is far less than the latter's；compared with the latter which is the traditional structure，the new style layered structure with hollow foam spheres as distribution layers has a better protective property.

hollow foam sphere；distribution layer；layered structure；protective property

O383

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.018

国家自然科学基金（U1404107）

2014－01－20 修改稿收到日期：2014－11－11

任新见男，博士生，助理研究员，1979年生

张庆明男，博士，教授，1965年生