防护门的爆炸反弹效应研究进展*

吴小燕，孔新立，孟凡茂，秦艺菲，王　鹏

(解放军理工大学，南京 210007)



防护门的爆炸反弹效应研究进展*

吴小燕，孔新立，孟凡茂，秦艺菲，王鹏

(解放军理工大学，南京 210007)

摘要:防护门反弹效应研究是防护门设计过程中的一个重点研究内容。在常规武器爆炸荷载作用下，防护门会受到爆炸冲击波负压的影响，发生反弹效应，产生的反弹力会对防护门的闭锁和铰页等装置造成破坏。通过分析国内外关于爆炸冲击波荷载下反弹效应的研究成果，系统总结了防护门在反弹效应下的理论研究进展，分析了比例爆距、结构特点、阻尼效应等因素对防护门产生反弹效应的影响。最后在防护门反弹效应的研究的基础上，对防护门抗反弹设计提出了合理的建议。

关键词:防护门；反弹效应；影响因素；常规武器

防护工程是一个国家安全防御系统的重要环节，它能够抵抗预定杀伤性武器的破坏[1-3]。防护门是阻挡常规武器或核武器爆炸冲击波的设备，是加强工程防护的第一道防线。随着科学技术的发展，精确制导武器的使用比例越来越高、打击精度越来越高，使当前的防护工程受到很大的威胁。与核武器爆炸荷载相比，常规武器爆炸荷载作用时间较短，爆炸早期冲击波高频丰富、加载迅速、波长较短，防护门在常规武器爆炸荷载作用下将发生反弹效应，门体在反向荷载作用下，只有闭锁和铰页这几个点承载，反弹力较大时，将对闭锁装置和铰页产生极大的破坏，导致防护门整体失效。

从上世纪60年代开始，国内外对反弹效应都做出了相应的研究，并制定了相关的规范。美国陆军工程兵水道实验站出版的《TM5-855-1常规武器防护设计手册》[4]中指出防护门等效反弹压力取0.5倍的入射波峰值压力；陆海空三军司令部联合出版的《TM5-1300抗偶然性爆炸效应的结构设计》[5]中指出常规武器爆炸荷载作用下要考虑防护门的反弹效应；美国空军司令部和空军武器实验室联合发布的《防护结构设计与分析手册》[6]中给出了单自由度体系在固定支座无阻尼情况下的反弹抗力曲线。我国现行的一些规范也对这方面做了一些研究，《GB50038—2005人民防空地下室设计规范》[7]指出在常规武器爆炸荷载作用下，反向荷载的等效取值。

1理论研究

在现行防护设备设计过程中，主要还只是考虑了核武器的爆炸效应，只有当防护结构防护等级较高时，才考虑常规武器破坏效应对防护结构的影响。核武器爆炸荷载作用时间较长，爆炸过程中产生的负压峰值相对于正压峰值较小。而常规武器爆炸作用时间较短，其负压峰值有时几乎与正压峰值相等。

典型爆炸荷载时程曲线如图1。在传统防护门设计研究过程中，一般采用核武器的爆炸冲击波荷载，取均布法向作用的无升压过程的平台型荷载，如图2(a)。而常规武器所产生的冲击波则按照等冲量法简化成为突加线性衰减的荷载来考虑，如图2(b)。

国外学者通过早期一些实验数据，初步研究和发展了爆炸荷载理论。Florek 和 Benaroya通过对刚性塑体上作用均布载荷的理论研究，认为不同的爆炸荷载形式将对作用结构自生的灵敏度产生影响[8]，认为必须尽量减少或消除其对结构的不利影响。Beshara提出了结构的反弹效应及动力响应与装药量TNT、比例爆距z、荷载大小、冲击波作用时间及荷载形状都有影响[9]。在此之后，国外学者对爆炸荷载作用下反射效应做了大量研究，但动荷载的灵敏变化荷载曲线尚未得到精确结果。

在国内，方秦[10、11]、金丰年对反弹效应进行了深入研究[12]，文献[10、11]认为在核爆作用下设计防护门时，必须考虑在常规武器作用下防护门所产生的较大的反弹力的影响效应。文献[12]认为设计过程中，结构阻尼的影响也必须考虑进入反弹效应分析中。我国《人民防空地下室设计规范》[7]规定对于室外出入口内封堵构件、支座及其联结件，需验算在常规武器爆炸冲击波作用下负向动剪力的作用。对于室外方秦、柳锦春在《地下防护结构》[13]中给出了空气冲击波作用下正压峰值与负压峰值的关系公式[13]，如式(1)。

(1)

式中：ΔPr为反射冲击波超压;ΔPi为入射冲击波超压，单位均为MPa。

由上式可知当正压峰值很高时，反射波可以达到入射波的8倍以上，实际上，在高温高压情况下，反射超压将将远远大于8倍的入射超压。

郭东、刘晶波等进一步研究了防护门反弹效应的影响因素[14、15]，认为防护门的边长比、荷载作用时间、荷载形式、阻尼比以及冲击波负压等都对防护门的反弹效应产生影响，且表明：当防护门的边长比增大时，防护门正、负向动剪力峰值都逐渐减小；冲击波负压和阻尼对防护门的正向动力响应影响可以忽略，对最大负向动剪力影响较大；指数型荷载形式对防护门正、负向动剪力峰值影响不大，可以忽略。杜家政、刘宜平等通过对爆炸荷载作用下防护门反弹效应的数值模拟，认为混凝土防护门比钢结构防护门反弹影响大[16]。

2防护门反弹效应的影响因素分析

作用在防护门上的反射冲击波荷载可以理解为作用在结构上的反向动剪力。通过国内外学者的研究与试验，我们可以发现主要影响防护门在爆炸荷载作用下反弹效应的因素主要有比例爆距、结构本身的结构形式、荷载作用形式、荷载作用时间、阻尼等。

2.1比例爆距的影响

TM5-1300中给出了无阻尼单自由度体系的弹性反弹图表[5]，如图3。由图可知，当反弹抗力r与屈服抗力Rm的比值等于-1时，将发生完全反弹。但是所有的设计规范及公式都有其自身的使用范围，在进行设计研究时，必须尽量考虑到反弹的各种影响因素。

2.2结构自身的影响

当前，防护门的主要形式包括钢筋混凝土结构和钢结构。由于混凝土结构防护门由于自身重力较大且相对抗力较低，设计者们更加倾向钢结构门体设计。钢结构防护门，主要以梁板式钢结构为主而门扇骨架和门框主要以工字钢和槽钢组成。在对于防护门结构自身对反弹效应的影响因素分析过程中，影响钢结构防护门抗力的主要有骨架的排列方式、骨架的数量、骨架的截面尺寸以及面板的厚度等因素，而影响其反弹的主要为结构的边长比，即防护门门扇长边与短边的比值。当边长比增大时，短边的反弹力峰值将减少。

2.3荷载的影响

荷载对于反弹效应的影响，主要有两个方面，一个是荷载的作用持续时间，另一个是荷载的作用形式。作用在防护门等防护设备上的荷载主要包括作用时间较长的核武器爆炸冲击波荷载，以及荷载作用时间较短的常规武器爆炸冲击波荷载。在有限元分析计算过程中，通过改变荷载的作用持续时间，得出在荷载作用时间长度越短时，跨中位移越大，如图5所示。可见常规武器爆炸荷载作用下，由于其高频丰富，爆炸波的波长短，使得材料的应力变化快，防护门的抗力下降。

对于荷载形式对防护门反弹效应的影响，防护门上受到的爆炸冲击波荷载形式常用的有五种，包括有升压时间的三角形荷载、无升压时间的三角形荷载、矩形荷载、折线型荷载和指数型荷载。郭东基于等效单自由度体系的梁板结构，采用无量纲分析得出[20]，在无升压时间的三角形荷载、矩形荷载、折线型荷载和指数型荷载作用下，当荷载持续时间与结构自振周期T的比值越小，反弹越大，当比值无限趋向无穷大时，结构体系将发生50%的反弹，当比值趋向零时，结构将发生100%反弹。

2.4阻尼的影响

在防护门设计过程中，由于对于防护门自身材料的阻尼值不太了解，且阻尼对于爆炸荷载作用产生的第一个压力峰值影响较小，往往没有考虑到阻尼的影响。在冲击波荷载下，结构在很短时间内就达到了最大反应，在这之前，阻尼力来不及从结构当中吸收太多的能量，这也是设计防护门过程中设计人员没有考虑的另一个原因。

虽然设计者们基本认为忽略阻尼是一种偏于安全的做法，但这无法达到设计的最优。在防护门受到爆炸冲击波荷载下，会有两种阻尼对其产生影响，分别为外部环境对梁骨架产生的外阻尼，以及防护门的内部阻尼。通过对其无量纲分析得出，阻尼对于爆炸荷载作用下防护门上的正向动剪力影响不大，对反弹力影响较大。在常规武器爆炸荷载作用下，当阻尼比ξ=0.01时，负向动剪力减值60%，当ξ=0.05时，变为约30%。可见阻尼对于防护门在常规武器爆炸作用下衰减较大，且阻尼比越大，反弹力峰值将越小。在核武器爆炸荷载下，由于荷载作用时间短，防护门大多处于弹性阶段，即使进入塑性阶段，防护门的变形也无法达到门体的极限变形，这是由于构件本身的阻尼使得防护门有一定的残余变形，无法充分利用材料本身的潜力。考虑结构材料的阻尼，可以优化防护门的结构设计。

3结论

随着科技的发展，精确制导武器对防护设备的影响愈加明显，对防护结构的破坏愈加严重，随之对防护门的要求也越来越高。防护门的优化设计和制造，将是军队国防建设未来的方向。近年来无论是通过改变防护门的结构设计还是采用新型材料，在防护门反弹效应研究成果较少[21-26]，这将是防护门未来研究的一个方向。在此基础上，作者提出几点意见：

(1)当前防护门的反弹效应研究，许多研究工作还处于初期阶段，我国滞后于国外很多年，国内理论分析产生的经验公式也大多参考和借鉴了国外的许多相关方面的研究方法及经验，因此必须加强防护门在力学方面的理论研究。

(2)目前大多数研究成果都是在有限元数值模拟上产生的结果，但是ANSYS等有限元分析软件还不成熟，设计过程中大量参数需要准确把握，稍有误差，结构可能千差万别。为了更为准确的理论分析成果和相对解决方法，必须将爆炸试验跟数值模拟比较分析。

(3)在防护门设计过程中，可以通过阻尼选择更优的材料，消除冲击波对防护门的影响；通过增大防护门边长比，减小冲击波的峰值，减小反弹力的影响，荷载形式对于冲击波峰值影响不大，设计时可不用考虑。在设计过程中必须加强对铰页、闭锁等装置的优化设计。

参考文献(References)

[1]总参工程兵四所.防护设备设计手册[M].北京:总参工程兵四所,1985.

[2]钱七虎，王明洋.高等防护结构计算理论[M].南京：江苏科学技术出版社,2009.

[3]俞儒一.人防工程防护结构计算原理[M].南京：工程兵工程学院,1989.

[4]TM5-855-1 Fundamentals of protective design for conventional weapons[S].Washington DC：US Department of the Army，1986.

[5]TM5-1300 Structures to resist the effects of accidental explosions[S].Washington DC：US Department of the Army，1990.

[6]The Air Force Manual For Design and Analysis of Hardened Structures，AFWL-TR-74102，1974.美国空军防护结构设计与分析手册[M].北京空军后勤部工程设计研究局，1980.

[7]GB 50225—2005人民防空工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.

[8]FLOREK J R，BENAROYA H.Pulse-pressure loading effects on aviation and general engineering structures review[J].Journal of Sound and Vibration，2005，284(1/2)：421-453.

[9]BESHARA F B A.Modeling of blast loading on above ground structures-I.General phenomenology and external blast[J].Computers & Structures，1994，51(5)：585-596.

[10]方秦，谷波，张亚栋.钢结构防护门结构优化的数值分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版)，2006，7(6)：557-561.

[10]FANG Qin，GU Bo，ZHANG Ya-dong.Structural optimization numerical analysis of steel blast door[J].Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2006，7(6)：557-561.(in Chinese)

[11]郭东，方秦，张亚栋，等.常规武器爆炸作用下现有防护门抗力评估[J].防护工程，2002，24(4)：23-27.

[11]GUO Dong，FANG Qin，ZHANG Ya-dong，et al.The resistance evaluation of existing protective doors subjected to blast loading of conventional weapon[J].Protective Engineering，2002，24(4)：23-26.(in Chinese)

[12]金丰年，欧阳科峰，蒋美荣.钢筋混凝土防护门的阻尼反弹效应[J].防护工程，2005，27(2)：32-36.

[12]JIN Feng-nian，OUYANG Ke-feng，JIANG Mei-rong.The damping rebound effect of reinforced concrete protective doors[J].Protective Engineering，2005，27(2)：32-36.(in Chinese)

[13]方秦，柳锦春.地下防护结构[M].北京：知识产权出版社，2010.

[14]郭东，刘晶波，闫秋实.爆炸荷载作用下防护门反弹效应的影响因素分析[J].工程力学，2011，28(12)：206-212.

[14]GUO Dong，LIU Jing-bo，YAN Qiu-shi.The influencing factor analysis of rebound effect for protective doors subjected to blast loading[J].Engineering Mechanics，2011，28(12)：206-212.(in Chinese)

[15]郭东，刘晶波，闫秋实.冲击波负压对防护门反弹效应的影响分析[J].振动与冲击，2011，30(8)：82-91.

[15]GUO Dong，LIU Jing-bo，YAN Qiu-shi.Analysis on rebound effect of blast door under negative phase pressures[J].Journal of Vibration and shock，2011，30(8)：82-86.(in Chinese)

[16]杜家政，刘宜平.爆炸载荷作用下防护门反弹效应的数值仿真[C]∥北京力学会：北京力学会第19届学术年会论文集，2013：2.

[16]DU Jia-zheng，LIU Yi-ping.The numerical analysis of rebound effect for protective doors subjected to blast loading[C]∥The Beijing theoretical and applied mechanics：The Beijing theoretical and applied mechanics proceedings of the nineteenth academic annual meeting，2013：2.(in Chinese)

[17]KRAUTHAMMER T.Modern protective structures[M].New York：CRC Press，2007.

[18]KRAUTHAMMER T，ALTENBERG A.Negative phase blast effects on glass panels[J].International Journal of Impact Engineering，2000，24：1-17.

[19]郭东，刘晶波，张小波.爆炸荷载作用下钢制防护门动力响应及抗力参数分析[J].振动与冲击，2013，32(3)：134-156.

[19]GUO Dong，LIU Jing-bo，ZHANG Xiao-bo.Resistance parameters analysis and dynamic response for a steel blast door subjected to blast loading[J].Journal of Vibration and Shock，2013，32(3)：114-156.(in Chinese)

[20]郭东，刘晶波，闫秋实.爆炸荷载作用下梁板结构反弹机理分析[J].建筑结构学报，2012，33(2)：64-71.

[20]GUO Dong，LIU Jing-bo，YAN Qiu-shi.Rebound mechanism analysis in beams and slabs subjected to blast loading[J].Journal of Building Structures，2012，33(2)：64-71.(in Chinese)

[21]张宇，李国强.建筑结构抗爆设计标准现状[J].爆破，2014，31(2)：153-160.

[21]ZHANG Yu，LI Guo-qiang.Status of blast-resistant structure standards for architectural structure[J].Blasting，2014，31(2)：153-160.(in Chinese)

[22]杨心宇，赵跃堂，周泽鑫.平板防护门不同约束形式下的动力响应[J].爆破，2014，31(2)：47-56.

[22]YANG Xin-yu，ZHAO Yue-tang，ZHOU Ze-xin.Dynamic response of blast doors under different forms of constrains[J].Blasting，2014,31(2)：47-56.(in Chinese)

[23]董晖，陈力，洪建.新型柔性索膜结构防护门动力响应分析[J].工业建筑，2014，44(S1)：269-273.

[23]DONG Hui，CHEN Li，HONG Jian.Dynamic response of protective door of new cable-membrane structure[J].Industrial Construction，2014，44(S1)：269-273.(in Chinese)

[24]张勇.地面防护工程抗爆复合材料与结构研究[D].徐州：中国矿业大学，2014.

[24]ZHANG Yong.Research on the antiknock composite material and structure of ground defense engineering[D].Xuzhou：China University of Mining，2014.(in Chinese)

[25]李红英，徐迎，马淑娜.新型防护门次轻混凝土研究[C]∥中国土木工程学会防护工程分会第十四次学术年会论文集，2014：357-362.

[25]LI Hong-ying，XU Ying，MA Shu-na.Research on semi-lightweight concrete of the new protective[C]∥Chinese civil engineering society protection engineering branch of the fourteenth Symposium，2014：357-362.(in Chinese)

[26]江大志，鞠苏，张鉴炜.复合材料结构轻量化方法及技术[J].玻璃钢/复合材料，2014 (9)：85-98.

[26]JIANG Da-zhi，JU Su,ZHANG Jian-wei.Methods and techniques to achieve light-weight design of composite structures[J].Glass Fiber Reinforced Plastic / Composite Materials，2014 (9)：85-98.(in Chinese)

Research Progress of Rebound Effect on Protective Doors under Blast Loading

WUXiao-yan,KONGXin-li,MENGFan-mao,QINYi-fei,WANGPeng

(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Abstract:The protective door was usually influenced by negative phase pressures of blast wave under the conventional weapon explosion loads,and the rebound force could destroy the latch,hinge,and so on.Study on rebound effect was a key research direction in the design of the protective door.According to the research progress in rebound effect at home and abroad,the theoretical research achievements were summarized and a comprehensive analysis was discussed on the influencing factors of protective door,such as the scaled distance,the structure characteristics and the effect of damping.Based on the researches on rebound effect,some suggestions were put forward on the rebound design of the protective door.

Key words:protective doors；rebound effect；influencing factor；conventional weapons

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.027

收稿日期:2016-04-04

作者简介:吴小燕(1990-)，女，江苏常州，硕士研究生，主要从事岩土工程研究，(E-mail)lgdxwuxiaoyan@163.com。 通讯作者:孔新立(1979-)，男，山东菏泽，博士、讲师，主要从事防灾减灾工程及防护工程研究，(E-mail)xlk80@126.com。

基金项目:国家自然科学青年基金(No.51308544)

中图分类号:TU391；TU352.1+3；TJ91

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0137-05