碳纤维增强复合材料管混凝土拱的制备和抗爆试验

王洪辉，陈海龙

(陆军工程大学 国防工程学院， 南京 210007)

建筑物和构筑物的防爆抗爆性能事关人员和财产安全，如何有效提高建筑的抗爆性能一直是爆炸冲击领域关注的热点问题。近年来，现代高技术常规武器和局部恐怖袭击对防护工程带来的冲击是十分广泛的，不仅对民用设施的工程防护提出了严峻挑战，更对军用设施的防护能力提出了严峻挑战[1]。针对传统的钢筋混凝土结构，仅仅通过增大混凝土或钢筋用量对抗爆性能的提高是有限的、不经济的，一方面是因为建筑结构的自重不能无限增大，另一方面增大建筑材料用量意味着建材成本的增加和工期的延长，这将直接导致昂贵的工程造价。因此，寻求新型材料用于建筑的防护加固就显得尤为重要。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料，以其轻质高强、耐腐蚀等特点已广泛应用于建筑物的修复加固与工程防护中[2]。FRP材料的比强度(拉伸强度/比重)非常高，常用碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)的比强度为钢材的40倍，从而可以大幅降低结构的自重；相比于钢材，FRP还具有优越的耐腐蚀性，可以在氯盐和潮湿环境中长期使用，同时FRP材料可设计性强，可以根据工程需要灵活改变结构形式。基于以上优点，在工程防护领域充分发挥FRP材料的优异性能是近几十年来国内外研究的焦点。

在充分肯定FRP加固对混凝土结构抗爆作用的基础上，结合复合材料制造工艺，设计并制备了一种CFRP管混凝土拱结构，并进行了野外爆炸试验，以探求结构抗爆性能的优劣。

1 FRP加固混凝土结构抗爆研究进展

在建筑物的抗爆加固中，FRP的应用形式主要有两种，一种是作为结构补强材料，粘贴或锚固在梁板柱拱等基本构件的受拉面，从而充分发挥FRP材料优越的抗拉性能；另一种是直接作为结构材料，与混凝土共同协作承担荷载，主要是各类FRP管混凝土结构。

1.1 FRP作为结构补强材料的抗爆研究

陈万祥等[3]对爆炸荷载作用下CFRP加固钢筋混凝土梁进行了一系列试验研究，主要考察CFRP粘贴层数对裂缝开展、破坏形式、应变和挠度的影响。试验表明：在弹性工作阶段内，CFRP粘贴层数对试验梁抗爆能力的影响不大，当进入塑性阶段后，抗爆能力随着粘贴层数增大而提高，但提高幅度是有上限的；对比未加固梁可以发现，CFRP加固梁的塑性变形明显减小，试验梁的刚度得到有效提高。

郭樟根等[4]对外贴FRP条带加固钢筋混凝土双向板进行了爆炸试验，并与与普通混凝土板进行对比。从破坏形态来看，外贴FRP条带加固方法能有效限制裂缝开展、延缓混凝土开裂；从动力响应来看，加固后的钢筋混凝土(Reinforced Concrete，RC)双向板的跨中位移响应、混凝土和钢筋应变响应明显降低，双向板抵抗爆炸冲击波的能力明显提高。

Jin-Won Nam等[5]运用动力有限元分析软件LS-DYNA对GFRP加固混凝土板进行了数值分析。材料模型选择上，GFRP采用Hashin和Chang-Chang的渐进损伤模型并考虑了FRP材料的应变率效应，混凝土和FRP交界面采用接触单元建模，通过与试验对比证实了数值模型的有效性。在此同时指出：为建立更精确的RC结构在爆炸荷载作用下的数值模型，需要根据FRP的类型和层数对应变率效应进行试验研究，此外还需要进一步研究FRP与混凝土之间的动态界面行为。

潘金龙等[6-7]运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对FRP加固混凝土板和圆柱进行了数值仿真，模拟了不同FRP粘贴层数、粘贴密度和粘贴方式等对混凝土结构抗爆性能的影响，但在FRP和混凝土界面的处理上简单采用了共用节点，这未必符合实际情况。

拱结构作为桥梁工程和地下防护工程中常用的结构形式，在现有设计水平下如何提高其抵抗爆炸荷载的能力也是一项极具意义的研究工作。陈海龙等[8]通过设计模型试验研究了CFRP板加固地下拱结构的抗爆性能，试验中对已经发生破坏的拱形结构制定了具体的CFRP板条加固方案，测定并记录了各次爆炸后结构的压力、位移、应变等数据和破坏现象，直观反应了CFRP板条的加固效果(图1)。CFRP板条对拱顶的塑性变形能力有了明显改善，增强了结构的延性，使得已经产生严重塑性变形的地下拱具有进一步承载的能力。

1.2 FRP作为结构材料的抗爆研究

FRP管混凝土结构(Concrete-filled FRP Tube，CFFT)是指通过拉挤、缠绕、手糊等工艺预先制作FRP管，然后向管内浇筑混凝土形成的一种FRP-混凝土组合结构。这类结构的特点是：由于FRP管的约束作用，核心混凝土处于三向受压状态，横向变形受到限制，强度和延性都得到提高；由于核心混凝土的存在，FRP管的屈曲受到限制，稳定性得到加强；由于FRP的耐腐蚀性和对核心混凝土的永久保护作用，可以有效防止外界环境对结构的侵蚀破坏，结构的耐久性得到增强。基于CFFT在强度和耐久性上的优越性，世界各国学者对该结构的基本静力性能(包括压、弯、剪、抗振及其组合)和耐久性进行了深入的研究[2]，但在抗爆性能方面研究有限。

Echevarria等[9]对CFFT柱进行了爆炸试验研究，试验构件为GFRP管-钢筋混凝土柱，在柱子上下端面施加轴向力以模拟柱的真实受力状态。在遭受两次爆炸冲击后，试件并没有表现出任何破坏迹象，表面仅出现爆轰产物附着存留的碳黑。试验表明：由于GFRP管对核心混凝土的恒定约束，混凝土的延性变形能力得到加强，CFFT柱表现出优良的抗爆性能。Echevarria等还对遭受爆炸后的CFFT柱和普通柱进行了剩余承载力试验，同普通柱相比，CFFT柱表现出更高的强度和韧性，同时CFFT柱的轴压破坏模式更容易判断。

Qasrawi等[10]对CFFT梁进行了爆炸试验和数值模拟研究。试验表明：在100 kg C4炸药作用后，外层FRP管未发生破坏，CFFT梁的残余变形比普通梁减少29%，FRP管的出现明显提高了梁的抗爆性能。在同试验数据对比验证数值模型可靠性的基础上，Qasrawi等运用有限元软件ANSYS Autodyn对CFFT梁在爆炸荷载作用的响应进行了参数分析，指出在同一比例爆距下增大管的直径可以减小梁的整体响应。

1.3 FRP管拱结构研究

基于前人在CFFT直管混凝土结构方面的研究，美国缅因大学的Dagher等[11]率先提出并制备了FRP管混凝土拱形结构，其设计思路是利用玻璃纤维或碳纤维等常用增强材料预先制作拱形空心FRP管，然后以FRP管作为永久性模板在施工现场向管中灌注混凝土进而形成FRP管-混凝土组合结构，但并未给出FRP弯管的具体制备方法。Dagher教授进一步对该FRP管拱结构进行了抗弯承载力试验和疲劳实验研究，并成功地将这一结构应用于桥梁工程建设中，如图2所示。

2 CFRP管混凝土拱的设计制备

为研究FRP管混凝土拱结构的抗爆性能，本文自主设计并制备出一种CFRP管混凝土拱结构，几何尺寸如图3所示。为实现CFRP管拱结构的固定，在两端设置300 mm×300 mm×300 mm的混凝土墩座，整体结构示意图如图4所示。

制备CFRP管混凝土拱所需的主要结构材料有：碳纤维编织套管、碳纤维浸渍胶、普通混凝土等。

碳纤维编织套管是由宜兴市宜泰碳纤维织造有限公司生产提供，该套管是利用东丽公司生产的T700SC-12K碳纤维丝结合45°编织工艺织造而成。表1为碳纤维丝的基本力学参数。

表1 碳纤维丝力学参数

碳纤维浸渍胶采用南京市曼卡特科技有限公司生产的环氧浸渍胶，表2为该浸渍胶的主要物理力学参数。

表2 浸渍胶主要物理力学参数

普通混凝土设计强度等级为C40，具体配合比为自来水∶水泥∶中砂∶石子=0.41∶1∶1.89∶2.78，28 d龄期混凝土立方体试块的平均抗压强度为48.8 MPa，达到设计标准。

CFRP管拱的制备流程可分为3个阶段，如图5所示。

CFRP管是CFRP管拱的重要承力构件，其制作质量的高低直接影响整体结构的力学性能，因此在制作过程中必须注意把握细节、严格控制质量；核心混凝土的浇筑遵循“两次浇筑，多次振捣”的原则，每浇筑一部分混凝土，必须马上进行振捣，促使混凝土和CFRP管紧密贴合，这样才有利于管拱结构整体力学性能的发挥；浇筑混凝土墩座的主要目的是固定CFRP管拱，使管拱结构保持直立状态，有利于后期开展试验研究。图6～图11表示了CFRP管拱制备过程中的关键步骤。

3 CFRP管混凝土拱的爆炸试验

3.1 试验概况

为了检验CFRP管混凝土拱结构抗爆性能的优劣，对其进行了野外爆炸试验。试件构件命名为C40-3，其中C40代表混凝土设计强度等级为C40，3代表碳纤维套管层数为3层。表3为爆炸试验的两种工况，TNT药块当量均为2.0 kg，几何尺寸120 mm×100 mm×100 mm，CFRP管拱连续遭受两次爆炸冲击。

表3 试验工况

试验在江苏省盱眙县九二五厂的野外爆炸试验场中进行。试验时，CFRP管拱被两端固定在钢底座内，以防止CFRP管拱发生偏转或侧移。通过铁丝将TNT药块悬挂于管拱拱顶中心的正上方，药块中心距拱顶中心的距离即为爆距。试验主要测量项目有拱顶的反射超压、拱顶和两侧拱腰的动态位移。考虑第2次爆炸工况中比例爆距太小，产生的爆炸冲击威力过强，为保护传感器，此时仅测量拱腰的动态位移。试验装置图如图12。

3.2 破坏情况

化学爆炸持续时间非常短暂，通常以微秒计量，爆炸时的场景如图13所示。图14为管拱结构在遭受第1次和第2次爆炸冲击后的破坏情况。

第1次爆炸荷载作用后，CFRP管拱没有发生明显破坏，整体结构保持完整，拱顶迎爆面出现的黑色痕迹系爆轰产物附着在CFRP管表面所致。

第2次爆炸荷载作用后，CFRP管拱仍保持完整，破坏主要集中在拱顶。爆心正下方拱顶处CFRP管出现开裂迹象，沿裂纹掰开可以发现内部混凝土出现一定程度的破碎。分析原因，一方面是由于爆炸冲击波的直接作用，对CFRP管拱造成了一定程度的损伤；另一方面是TNT药块中未充分爆炸燃烧的颗粒高速击打CFRP管所致，系偶然因素。

3.3 试验结果分析

图15为第1次爆炸荷载作用时拱顶反射超压时程曲线的试验值与理论值。试验采集到的压力曲线在瞬间达到峰值后随即呈指数型衰减，符合理想的空爆反射压力时程曲线，正压作用时间在1.2 ms左右，峰值压力为15.6 MPa；反射超压理论值由CONWEP软件计算得出，峰值压力为19.8 MPa。第2次爆炸工况中，CONWEP计算出的拱顶处理论超压为60.1 MPa。

两次爆炸荷载作用下拱腰处的位移时程曲线如图16所示。两条曲线的变化规律是相似的，即在爆炸冲击波作用下，拱腰首先向下运动，到达下移极限后随即回弹，至上行极限后伴随着多次振动，冲击能量耗散完毕，结构恢复静止状态。第1次爆炸荷载作用下，右侧拱腰的最大向下位移值为5.6 mm，最大向上位移值为6.0 mm。在爆炸工况二中，管拱的位移响应明显增大，右侧拱腰最大向下位移值达到 25 mm，最大向上位移值也为25 mm。观察两条曲线可以发现，残余变形相对于位移幅度极其微小，故CFRP管拱结构仍处于弹性变形范围内。

4 结论

在传统的钢筋混凝土结构体系中，运用FRP加固可以有效提高结构抵抗爆炸冲击的能力，增强建筑物的抗爆安全等级；CFRP管混凝土拱是一种新型组合结构，充分利用FRP的抗拉性能和混凝土的抗压性能，消除了钢筋的存在；爆炸试验表明，当比例爆距不大于0.603 m/kg1/3，CFRP管拱结构不会发生破坏，当比例爆距减小为0.317 m/kg1/3时，拱顶区域出现局部损伤，但结构仍保持完整，而且结构变形在弹性范围内，展现出良好的抗爆性能。在未来地下防护工程或桥梁工程的推广应用中，应对CFRP管拱的耐久性、施工工艺等方面加强研究，以期出台相应的技术规范。