近距离爆炸荷载作用下砌体墙动态响应及破坏过程的数值模拟

郭玉荣　张楠

摘要：为了探索砌体墙在近距离爆炸荷载作用下的破坏规律及碎块抛射规律，通过AUTODYN建立数值模型，得到在近距离手提箱包炸弹爆炸荷载作用下砌体墙的荷载分布规律及碎块抛射速度规律.结果表明：12墙、24墙、加固24墙在爆炸荷载作用下破坏规律是相似的.24墙及加固24墙相对12墙碎片抛射速度有较明显的降低.加固24墙由于聚氨酯加固膜的兜裹作用，最终会明显减小碎块的出墙面位移和速度.此外砌体墙各测点抛射速度与比例距离的关系曲线与超压峰值与比例距离关系比较相似.

关键词：砌体墙；动态响应；爆炸荷载；爆炸碎片；防爆

中图分类号：TU375 文献标识码：A

Abstract：In order to explore the failure process and fragments ejection rule of blast case for masonry walls， the AUTODYN program was used to simulate the dynamic response of masonry walls under close range blast load. The distribution of blast pressure on masonry walls and debris ejection laws were obtained. The results show that the destruction rules of 120 mm， 240 mm masonry walls， and the strengthened 240 mm wall under close range blast load are similar. The debris ejecting speed of 240 mm wall and the strengthened 240 mm wall declines obviously when compared with 120 mm masonry wall. The debris ejecting speed of the strengthened 240 mm wall declines significantly on account of the consolidated film of PU. Moreover， the relationship between ejecting speed and scaled distance is similar to the relationship between scaled distance and peak overpressure.

Key words：masonry walls； dynamic response； blast load； explosion fragments； explosion prevention

日益频繁的恐怖爆炸袭击活动，使工程师们不得不面对更加严峻的挑战：即如何保证结构在爆炸冲击荷载下的安全，以避免人员伤亡及财产损失.由于砌体墙的经济性，砌体墙几乎应用于所有的建筑结构中.然而在爆炸冲击荷载作用下，相对于钢筋混凝土结构砌体墙表现出很强的脆性[1]，高速爆炸冲击波产生冲击荷载使砌体碎片以很高的速度抛射，给建筑的使用者造成严重的伤害.因此自9.11恐怖袭击事件以来，世界各国的政府和研究机构对砌体墙的抗爆问题进行了广泛而深入的研究.2002年，美国The Technical Support Working Group （TSWG），进行了一系列的砌体墙试验对超压-冲量破坏进行考察.此外他们对墙体的破坏形态做了分类，共4种[2]：“可使用”、“可修复”、“倒塌”和“碎片飞出”.当墙体出现碎片飞出的情况时，只要速度达到9.2 m/s，就会对人员造成较大的威胁.

研究砌体墙抗爆性能时，曾采用现场爆炸[3-5]、摆锤[6]、落锤[7]、爆炸模拟器[8]等试验法.鉴于真实试验的危险性和不易观测性，进行数值模拟分析就成了较好的替代方法.

在数值模拟研究方面，许三罗[9]用单砖长度的砌体棱柱来代替整面墙，进行了砌体填充墙的破坏过程分析.虽然得出了砌体填充墙大体破坏规律，但是用砌体棱柱代替整面墙体的模拟方法忽略了相邻棱柱对砌体的约束作用，与砌体墙的实际情况有所出入.张彦春等[10]分析了砌体墙炸洞尺寸与炸药量的关系，得出了随着炸药量的增大，炸洞尺寸变大的结论，但是随着炸药量的继续增加，炸洞尺寸增大速度变慢.

恐怖袭击事件的频发，使越来越多的国家和地区提高了防范恐怖袭击的意识并采取各种措施来隔离汽车炸弹与建筑物的距离，取得了一定的效果.然而手提箱包炸弹由于其高度的灵活性、隐蔽性及不确定性，正越来越成为建筑和人员安全的威胁[11].手提箱包炸弹的等效TNT当量从5磅到20磅不等，本文TNT当量取上限值为20磅.作者应用爆炸动力学数值模拟程序ANSYS/AUTODYN，分别对12墙、24墙、加固24墙（端部通过角钢及螺栓锚固在混凝土梁上的聚氨酯（PU）膜）在相同的TNT炸药（20磅）爆炸荷载作用下的破坏过程进行了研究，获得了砌体填充墙表面载荷分布规律、砌体墙的动态破坏过程规律和砌块的抛射规律，并结合结果探讨砌体墙受爆炸载荷直接作用下的抗爆性能.

1数值计算模型

由于在实际建筑中，外填充墙主要为24墙，内填充墙主要为12墙.因此建立三片墙体模型：12墙、24墙和加固24墙.由于我国房屋建筑的层高一般为3 m左右，所以墙体模型的几何尺寸为1 990 mm×3 000 mm×115（240） mm的砌体墙，利用对称性建立一半宽度的砌体墙.在模拟过程中，一块砌块的具体尺寸为240 mm×90 mm×115 mm，在墙体长度方向放置4块（X向），高度方向放置30块（Y向），厚度方向放置1块（2块）（Z向），砂浆灰缝厚度均为10 mm.为了模拟砌体墙的边界条件，约束住砌体墙顶部和底部处的X，Y，Z方向速度（即约束住砌体墙底部和顶部的位移）；给整个墙体施加沿墙体高度方向速度限制，来模拟刚性楼地面对墙体Y方向的速度约束；在对称面上施加X方向速度限制的边界条件，具体情况如图1所示.

为了模拟手提箱包炸弹恐怖袭击，将9.10 kg（20磅） TNT炸药放在距离墙体表面0.5 m（炸药质心到砌体墙表面距离）处对称轴所处的地面上，比例距离Z （Z=R/W1/3，其中R为距离（m），W为炸药质量（kg））为0.24 m/kg1/3.在砌体墙对称轴的正面（即放置炸药一面）建立6个压强测点，来得到6个测点处的爆炸超压荷载数据.同时在砌体墙的背面同样高度处建立另外6个速度测点，来得到砌体墙的不同部位砖块的抛射速度和位移，具体正面压强测点和背面速度测点布置见图1.

在墙体周围用Euler Idea Gas来模拟空气介质，以此来传递TNT炸药爆炸产生的冲击波.同时在Euler网格的边界添加流出边界条件来模拟无限边界的空气，完整模型见图2.

2材料模型和材料参数

为了模拟爆炸荷载对砌体墙的破坏作用，涉及到5种材料，即TNT炸药、空气、砌块、砂浆和PU膜.在材料模型选取方面，主要参考了张彦春等[11]和Irshidat Mohammed [8]在砌体墙抗爆研究中所采用的模型，如表1和表2所示.这些材料模型的合理性和正确性已在该两篇文献中得到证明.

本文算例涉及的主要材料参数[12]如表3所示.

3结果分析与讨论

3.1砌体墙表面不同时刻超压荷载分布情况

从图3中可见砌体墙正面各部位不同时刻压强分布差别很大，而且随着时间衰减得很快.根据文献[1]，对于普通砌体墙当超压荷载介于50～76 kPa时，墙体严重开裂，倾斜很大角度甚至倒塌.当超压荷载大于76 kPa时，墙体完全倒塌.

通过图4可以发现离爆炸中心越远，压力峰值越小，而且减小得非常迅速，测点2，3，4，5，6的压力峰值大约只有测点1的1/5.从图4可见各测点的超压峰值均大于1 MPa，远远大于76 kPa，因此砌体填充墙在20磅的TNT当量箱包炸弹爆炸荷载作用下会完全倒塌.

3.2各砌体墙破坏模式演变

了解砌体填充墙的破坏模式可以对砌体墙的抗爆设计及加固设计提供有益建议.

3.2.124墙破坏模式

从图5可见，砌体墙底部对称轴灰缝部位首先表现出塑性，并以圆形迅速向上和向两侧扩展.底部砌块首先出现失效破坏，然后破坏部位从底部向上部发展，且主要表现为水平灰缝失效破坏.从最终的破坏形态发现破坏部位主要集中在中下部，而上部破坏相对较轻.

3.2.2加固24墙破坏模式

从图6可见，砌体墙底部对称轴处水平灰缝处首先表现出塑性，并迅速向上部和两侧扩展.下部零星分散竖直灰缝首先失效，砌体底部约束部位砌体失效，失效水平灰缝从底部向上部和两侧迅速发展.最终破坏部位也主要集中在中下部，上部破坏相对较轻.

3.2.312墙破坏模式

从图7可见，砌体墙首先会在底部对称轴部位表现出塑性，并以圆形迅速向上和向两侧扩展.然后出现失效的是砌体底部被约束砌块及约三分之一高度处砌块，接着大量水平灰缝失效破坏出现在中部及上部，并在靠近两墙边出现两条竖直通缝.最终破坏最严重的部位主要分布在砌体墙下部三分之一处.

通过以上各砌体墙的破坏模式演变可知3种砌体墙在手提箱包炸弹的爆炸荷载作用下，破坏模式大体一致，不同的只是破坏程度的轻重.

3.3各砌体墙砌块抛射速度及位移时程曲线

了解砌体墙在近距离爆炸荷载作用下碎块抛射速度规律，能更好地防范爆炸破坏作用和调查爆炸恐怖案件.

通过图8可知：加固24墙的位移时程曲线图中，最下部的测点7呈现出明显的非线性，而12墙及24墙各测点位移时程曲线基本是线性关系.大部分测点抛射速度在1.0 ms之前达到峰值，有些测点（如测点8，11，12）达到峰值抛射速度较晚，但在1 ms时达到的抛射速度也比较接近峰值.测点达到速度峰值后均有小幅度的回落，然后趋于稳定.因此本文取4～10 ms的平均速度来代表各测点的抛射速度.

由于各测点的比例距离不同，各测点的抛射速度也不同.通过数据拟合得出各砌体填充墙在近距离爆炸下的抛射速度与比例距离的关系，具体情况见图9及表4.

通过图9可以发现砌体墙各测点抛射速度与比例距离关系曲线与比例距离与超压峰值的关系曲线大体轮廓比较吻合，此外比例距离与抛射速度的具体拟合关系见表4.

通过图10，可以发现3种砌体墙表现出的峰值抛射速度的不同之处：24墙及加固24墙相较于12墙各部位峰值抛射速度均有所降低，墙体顶部和底部降低的多，中间降低的少.此外可以发现12墙较24墙各相对应的部位峰值抛射速度出现时间要滞后一些.加固24墙较24墙下部峰值抛射速度有稍微增大，其他部位差异很小.

3.4砌体墙最大位移对比分析

通过表5可以发现在相同的时刻24墙及加固24墙相较于12墙最大出墙面位移（碎块最大出墙面位移）均有大幅度的减小.此外加固24墙相较于24墙初期位移相当；但是随着位移的变大，最大位移比越来越小，由初期的0.91变为0.65，且位移增幅逐渐变小，说明PU加固膜逐渐发挥效力.

4结论

通过以上分析可以得到如下结论：

1）在近距离手提箱包炸弹爆炸荷载作用下，12墙，24墙均表现出较明显的脆性并倒塌，且砌体填充墙的下部破坏较为严重，因此应对砌体墙的下部予以特殊加强.此外下部碎块的抛射速度较高，会给建筑使用者生命安全带来较大威胁.加固24墙也会倒塌，但是由于加固膜的兜裹作用，高速抛射碎块会被兜住，因此能较大程度的减轻碎块抛射带来的威胁.

2）加固24墙和24墙相比，在砌块峰值抛射速度方面除下部有一定幅度的增大，其他部位基本相同；此外中部砌块抛射速度峰值出现时间有一定程度的提前，而下部及顶部砌块抛射速度峰值出现时间则有所滞后.

3）无论是12墙还是24墙，在手提箱包炸弹的爆炸荷载作用下，从碎块的抛射速度来看，其碎块的抛射速度均能对建筑使用者带来较严重的伤害.通过延长分析时间可以发现加固24墙的最大出墙面位移在初期与24墙相当，但是随着出墙面位移的增大，加固膜逐渐发挥效力，可以较大程度的减小最大出墙面位移，因此其对减轻人员伤亡有较大帮助.

4）通过拟合各测点抛射速度和比例距离得到关系曲线，发现其大致轮廓与比例距离与峰值超压关系曲线大致轮廓比较吻合，且当比例距离大于0.6以后，碎块抛射速度随比例距离的变化幅度较小.

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