防护门设计研究

2015-09-12孟凡茂龚华栋马淑娜吴小燕

兵器装备工程学报 2015年10期

孟凡茂，徐迎，龚华栋，马淑娜，吴小燕

(解放军理工大学国防工程学院，南京 210007)

防护工程口部主要的防护设施包括防护门、防护密闭门和密闭门。防护门系统起着保护人员生命及物资安全的重要作用，既要抵抗冲击波正向压力的作用，又要抵抗冲击波反向压力的作用。防护密闭门还要防止毒剂、生物战剂和放射性微粒等有害物质进入工程内部。但由于早期材料类型、抗力等级、门扇尺寸等设计要求的限制，传统防护门的结构形式和材料类型比较单一，在使用过程中存在一定的问题。因此开展新型防护门的设计研究具有十分重要的意义。

对新型防护门的设计研究主要是从以下方面入手:一是以定型防护门为研究对象，利用有限元软件进行模拟分析，优化防护门部分结构。二是在防护门材料方面通过研究高性能混凝土，提高防护门抗力，减轻结构质量。三是对钢和混凝土的组合结构进行研究，改进防护门的结构形式。四是利用具有抗爆性能的新型复合材料实现防护门结构的轻质高强。

1 传统防护门的研究

经过多年的设计研究，我国在中、小跨度防护门方面取得了比较丰富的成果［1-4］。根据核爆炸的试验结果，有关科研设计单位已经设计出多种定型的防护门，供防护工程建设时选用。目前广泛采用的是总参工程兵科研四所设计研究的系列防护门［5］。

传统防护门多为钢筋混凝土结构和钢结构。钢筋混凝土材料具有较高的抗压和抗弯强度，材料易取，制作方便，耐腐蚀性能好，因而在防护门中应用的比较广泛。但是钢筋混凝土防护门的门体笨重，抵抗武器再次打击的效果不好。钢结构防护门的强度比较高，便于加工，可用于高强度和大跨度的工程。虽然在抗力等级要求相同的情况下，钢结构防护门要比钢筋混凝土防护门的质量轻，但是质量仍然偏重且对热阻的防护效果不好。

由于跨度和抗力要求的不同，防护门的结构形式也不尽相同，平板式和梁板式是定型门的主要结构形式。对于钢结构防护门，梁板式最为常见，即以骨架梁为主要受力构件，内外焊接一定厚度的钢板作为面板。骨架梁主要为槽钢、工字钢等，有十字形、井字形等布置方式。平板式是钢筋混凝土防护门的主要结构形式。跨度较小的门还有双曲薄壳式、反拉拱式等，但由于结构形式复杂、制作比较困难等原因，应用不是很广泛。常用的中、小跨度的各种防护门结构简图如图1所示。带桁架横肋的柱面壳或拉杆柱面壳钢筋混凝土防护门在跨度较大的工程中较为常用。

图1 常用的中、小跨度的各种防护门结构简图

防护门以抗核武器爆炸冲击波为主，荷载一般取为均布法向作用的突加恒定荷载，采用等效静载法对结构进行内力计算。对于常规武器爆炸荷载，作用时间比较短，一般都按等冲量简化为突加三角形荷载。随着常规武器的发展，防护门的设计研究应充分考虑防常规武器爆炸冲击波的破坏作用。

总的来说，早期防护门能够满足技战术指标要求，但是门体笨重、结构形式和材料比较单一，造成防护门在使用过程中存在运输和安装不便、开启和维护不易、传动装置可靠性不高、抢修抢建困难等一系列问题，需要在设计研究中进行改进。

2 防护门优化设计研究

虽然定型防护门在工程中得到广泛应用，但是对防护门结构体系及材料的最优配置并没有进行过深入研究［4］。少数学者利用有限元软件通过优化设计程序，分析了结构的可优化部分，为防护门的优化设计研究提出了建议。

方秦等［6］以一个双扇平板钢结构梁板式防护门为研究对象，利用ANSYS有限元软件，建立了分析模型，对防护门的截面和骨架梁布置方式进行了优化计算与分析。研究结果表明，该防护门部分钢板厚度偏厚，而且前后面板厚度相同的设计不太合理，后面板的厚度可以适当减薄，骨架梁布置的间距可以进行优化。

Hsieh等［7］利用有限元程序分析了一系列梁板式防护门的在爆炸荷载下的动力响应，得出肋梁可以承受大部分的爆炸荷载，在铰页附近的肋梁首先发生局部屈服，在应力允许的条件下，应该加强梁的网格密度和厚度。

郭东等［8］以典型梁板式 GF2025钢制防护门为研究对象，利用有限元软件ABAQUS对防护门的动力响应及抗力进行评估。通过分析不同影响因素对防护门抗爆性能的影响规律，建立了较合理的计算模型。结果表明，GF2025防护门满足抗力设计要求，但留有一定冗余。骨架梁选取合理的数量和布置方式能使门扇的受力特征达到较好效果，腹板厚度及高度、面板厚度对门体抗力影响显著，翼缘板厚度和宽度对门体抗力几乎无影响。研究成果可为同类防护门的优化设计提供理论依据。

3 高性能混凝土及组合结构防护门的研究进展

3.1 高性能混凝土防护门研究

混凝土材料在防护工程领域有着广泛的应用，改善混凝土的性能是提高结构抗力，减轻门体质量的有效手段。一些科研单位和学者根据工程实际，以高性能混凝土为研究对象，设计研究新型防护门，取得了一些研究成果。

中国建筑材料科学研究院［9］用有机单体或聚合物浸渍硬化后的混凝土，使聚合物充分填充混凝土内部的孔隙，制成了聚合物浸渍混凝土。用这种材料制作的防护门，抗力比原防护门能提高近50%。若防护门抗力要求相同，门体质量可以减轻30%～50%。

清华大学和海军工程设计研究局［10］在高标号水泥中掺加高效能减水剂，在现场施工条件下配制出了高强混凝土。将高强混凝土应用到防护门上可以节约材料，减轻门扇的自重。

中国建筑材料科学研究院和空军后勤部工程设计局［11］研究了钢纤维高强混凝及其在防护门中的应用，解决了钢纤维的均匀分散，流态高强混凝土及其外加剂的配合比和现场施工机具和工艺等一系列问题。将材料应用在防护门上抗爆力强，不易软化，与钢防护门比不生锈等，可节约钢材。

高小玲等［12］通过对当前国内防护门在材料应用上存在的缺陷以及现代战争条件对门扇材料要求的分析，归纳了新型材料在防护门中的应用现状。认为纤维增强混凝土将是最有可能推广应用的新型防护门门扇材料，并对材料的发展方向进行了讨论。

李红英等［13］进行了新型次轻混凝土研究(图2)。试验结果表明，纤维增强次轻混凝土随着陶粒掺量的增大，质量不断降低，28天抗压和劈裂强度有所增大，但当掺量超过50%时，强度出现降低。纤维的掺入使混凝土强度有所增加，但是弹性模量下降较大。在抗爆炸冲击方面，板的厚度影响较大。陶粒掺量为40%的次轻混凝土板性能较好，但还需要进一步优化。

图2 次轻混凝土试件试验研究

3.2 新结构形式防护门研究

门体结构形式的改变也是新型防护门设计研究的重要途径。为了提高防护门抗力，在钢和混凝土的组合结构上进行了改进，研究较多的结构形式主要包括钢包钢管混凝土(如图3所示)、钢包混凝土等。

图3 钢包钢管混凝土结构形式

海军工程设计研究局［14］将钢包钢管混凝土结构形式应用到防护门门扇内，在钢管内部填充高强混凝土，制成了一种超高强三向应力混凝土，其强度比普通钢管混凝土强度高一倍以上，质量与同等承载力的钢结构柱相比减轻近一半。利用高强钢管混凝土制成的不同跨度的防护门比常用防护门的抗力提高5倍。

石少卿等［15］提出在钢筋混凝土板中设置箱形钢板，形成一种箱形钢板加钢筋混凝土组合的结构形式，并通过与普通钢筋混凝土结构对比，结构的抗力能得到提高。

程伟等［16］通过在防护门结构形式上采用鼓形形式，并在厚度方向采用叠层壳体的形式，选用高强度的特种钢、防弹陶瓷、钢栓高强混凝土和比强度高及吸能效果好的玻璃纤维复合材料作为门体材料，设计了高抗力防护门。

方秦等［17］把钢隔板设置在钢管混凝土的外围，并通过在钢隔板与钢管的缝隙处二次填充高强混凝土，拱形门的内弧处设置钢管混凝土桁架，进一步提高了防护门的抗力。

董晖等［18］利用钢板的薄膜力与钢丝绳的悬索力来抵抗爆炸荷载的作用，充分发挥材料的力学性能，设计了一种索膜结构的防护门，并利用有限元软件ABAQUS对其在爆炸荷载作用下的动力响应进行了研究。结果表明，索膜结构防护门能够承受设计荷载下的爆炸冲击并且在化爆荷载作用下的反弹效应较小，对于闭锁设计的要求可以适当降低。

从以上研究成果可以看出，早期有关防护门的设计研究主要是关注提高结构的抗力，研究对象多是针对某项具体工程的高抗力大跨度防护门，基本没有摆脱传统设计模式的束缚，都是不断在钢筋混凝土、钢或者两者的组合结构上进行改进创新。

4 复合材料在防护门中的应用研究

复合材料与金属材料和混凝土材料等常规材料相比，比强度和比刚度较高，材料本身具有结构构型设计灵活多变和结构部件可整体成型等特点，最初被应用在航空航天领域。随着材料的发展，在防护工程领域，具有轻质、高强、抗爆性能的复合材料和与之相对应的结构形式得到应用，如聚氨酯泡沫、泡沫铝和夹层结构等。在防护门方面，少数学者也对复合材料进行了研究。

黄建立等［19］分析了我军单机掩蔽库库门的现状及存在问题，从库门内衬材料入手，通过比较其对库门整体强度、刚度及吸能能力的影响，指出可以将复合材料应用在库门上，形成了新的库门结构设计思路。

总参工程兵科研四所［20］设计了一种整体模压式玻璃钢人防防护门(图4)，门扇采用整体玻璃钢模压结构，制作的防护门质量比较轻，解决了钢筋混凝土门体笨重等一系列问题。

图4 模压防护门

杜志全［21］设计了一种夹层结构的复合材料防护门(图5)，该防护门采用 GFRP作为面板，以硬质聚氨酯泡沫作为夹层。经有限元软件分析当夹芯结构为8块，泡沫之间为环氧树脂基复合材料加强筋时，防护密闭门满足设计要求。门扇质量仅为0.5吨左右，重量大幅度降低。

张东新［22］将复合泡沫铝应用于防护门结构中，通过大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟了该结构在爆炸荷载下的动力响应，并与普通防护门进行了对比，发现填充复合泡沫铝后结构的抗爆性能显著提高，复合泡沫铝起到了延缓结构破坏，减小结构位移的效果。

张勇［23］通过 ANSYS/LS-DYNA有限元计算程序计对填充SAFFC、聚氨酯泡沫铝和聚氨酯蜂窝纸板的3种钢板防护门进行抗爆吸能计算，从对钢板和填充物破坏形式、防护门对冲击波衰减效果、钢板和填充物的吸能性能、防护门质量和建造价格等各方面对其进行了详细分析，为工程设计施工中不同条件下的选择提供了依据。

目前利用复合材料进行防护门的设计研究还比较少，大部分是利用ANSYS/LS-DYNA等有限元软件进行模拟分析，缺少试件的制作及抗爆炸冲击荷载试验的研究，但已有的研究成果反映了当前防护门设计研究的方向［24-26］。

5 结束语

防护门结构在不断改进和发展，目前防护门的研究已由最初关注抗力的提高转变到对结构进行轻量化设计。防护门要在满足技术战术指标的要求下实现结构的轻量化，单一改变材料类型难以达到设计要求，在采用新型复合材料的同时，要采用与复合材料相对应的轻质高强结构，如格栅结构、蜂窝结构、点阵结构等各种夹层结构都可以探讨作为门扇结构的可行性。结合研究进展作者认为新型防护门的设计研究还应注意以下几个方面:

1)当前针对利用复合材料进行防护门的设计研究基本都是利用ANSYS/LS-DYNA等有限元软件进行数值模拟，对试件抗爆试验和理论分析的研究还比较少，这部分工作可进一步完善。

2)复合材料轻量化技术在各个领域得到广泛应用，为防护门减重设计提供了思路。可以利用轻质高强结构和新型复合材料对防护门进行设计，实现防护门结构的轻质高强。

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