沉箱码头聚脲涂层抗爆防护毁伤效应数值模拟*

2021-02-05张守旸

中国安全生产科学技术 2021年1期

张守旸，宗琦，吕闹

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

0 引言

恐怖袭击和偶然爆炸会使港口码头受到损毁[1]，也会对码头正常运行安全产生重大影响，因此，开展沉箱码头在水下爆炸荷载作用下的防护研究，对提高沉箱码头正常运营具有重要的意义。

结构在水下爆炸时产生的破坏是复杂的，结构破坏时所受到的荷载也是多样化的。目前，学者们对各种结构的水下爆炸进行研究：张社荣等[2-3]通过数值模拟方法研究高拱坝和混凝土重力坝的抗爆性能及水下爆炸作用下的动力响应，结果表明在不同当量高能炸药冲击荷载作用下，高拱坝的破坏程度差异较大，大坝高度及库前水位对混凝土重力式大坝抗爆性能有重要影响；赵小华等[4]通过数值模拟方法研究含孔口坝体在水下爆炸荷载作用下的毁伤破坏过程，结果表明坝体孔口的存在对大坝的抗爆性能具有显著的影响；王高辉等[5]通过数值模拟方法探讨混凝土重力坝在爆炸荷载下的毁伤模式；朱祖国等[6]通过LS-DYNA建立混闸坝数值模型，探究混闸坝的破坏模式和损伤机理；闫秋实等[7]通过数值模拟方法，对高桩码头的钢筋混凝土桩进行水中近场爆炸下的抗爆性能进行评估，得出一定爆炸深度时的抗爆安全范围；董琪等[8]对港池环境下码头的近水面水下爆炸损伤特性进行数值模拟研究，结果表明码头边界对气泡脉动具有重大的影响，在冲击波传播阶段，码头的损伤和变形最大。

20世纪80年代以来，高分子材料喷涂技术逐渐发展成熟，在结构表面喷涂高分子材料，以增强结构抗爆能力开始成为1种新的构想[9-10]，到20世纪90年代，研究人员发现聚脲涂层是1种优良的结构抗爆涂层材料，并对其应用于防护结构展开研究[11]。学者们对聚脲的抗爆性能开展大量研究，结果表明，聚脲涂层具有良好的抗爆防护效果[12-14]。

目前，水下爆炸的研究主要集中在混凝土坝、钢筋混凝土桥墩等结构的研究中，对于沉箱码头在水下爆炸荷载作用下的防护研究较少。本文对聚脲涂层防护沉箱码头进行水下爆炸数值模拟研究，探究其损伤破坏机理，为沉箱码头的抗爆防护设计提供理论支撑。

1 有限元模型

1.1 模型建立

依据沉箱码头水下爆炸的模型实验[15]，沉箱码头模型设置长×宽×高为2 980 mm×1 620 mm×2 190 mm，码头的下部结构为沉箱，其中4个仓格的长宽分别为860 mm和650 mm，内部填充沙，沉箱结构高1 800 mm。沉箱底板厚250 mm，沉箱上部由管沟、面板及所围仓格内的土体组成，高390 mm。模型底部无人为约束，四面环水，设计水深为1 800 mm。炸药放置在迎爆侧外墙几何中心处，距离迎爆侧外墙500 mm。由于码头结构具有对称性，采用Hypermesh软件建立沉箱码头1∶2模型，如图1所示。沉箱码头的具体尺寸及配筋情况见表1。

表1 沉箱主要单元配筋情况Table 1 Reinforcement situation of main units of caisson

图1 沉箱码头模型Fig.1 Caisson wharf model

有限元模型包括钢筋、填充沙、混凝土、聚脲涂层、炸药、水和空气7个部分，其中混凝土、钢筋、聚脲涂层和填充沙采用Lagrange单元；炸药、水、空气采用Euler单元；沉箱码头及水体单元上侧采用自由边界；水体单元前侧、后侧和右侧采用无反射边界。不考虑混凝土与钢筋之间的黏结，使用关键字Constrained_Lagrange_In_Solid定义流场与结构之间的流固耦合作用，实现力学参数的传递。

1.2 参数选择

混凝土模型使用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3，该模型考虑混凝土的剪切变形损伤和体积变形损伤，通过不同强度面来描述混凝土类材料的复杂力学行为，各个强度面间的荷载面则由3个强度面进行插值确定，能够描述混凝土材料在强动载作用下的力学性能，混凝土密度采用2 400 kg/m3，沉箱下部混凝土强度为35 MPa，沉箱上部混凝土强度为28.2 MPa，混凝土泊松比为0.2。钢筋采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性随动强化本构模型，钢筋密度为7 850 kg/m3，钢筋泊松比为0.2，应变率参数C=40.4，G=5。

炸药模型为*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，状态方程为*EOS_JWL，一般形式如式(1)所示：

(1)

式中：P为炸药爆炸时由状态方程确定的爆轰压力，GPa；V为相对体积，m3；E0为初始内能，GPa；A,B为炸药材料常数，GPa；R1，R2，ω为状态方程的系数。具体参数见表2，其中，ρ为炸药密度，kg/m3；D为爆速，m/s。

表2 炸药及状态方程参数Table 2 Parameters of explosive and state equation

水和空气均采用*MAT_NUL模型，状态方程分别选用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL及*EOS_GRUNEISEN，密度分别为1 000 kg/m3和1.29 kg/m3。填充土体使用线弹性模型，沙的密度ρ′=1 800 kg/m3，沙的弹性模量E=16 MPa，剪切模量G=8 MPa。

聚脲涂层模型的选择应包含弹性和塑性阶段，并考虑在爆炸荷载下材料的应变率效应，采用LS-DYNA材料模型库中的*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模型表述聚脲涂层，该模型常用来模拟弹塑性材料，材料的屈服准则由断裂应变定义，材料的应力-应变曲线由屈服强度、剪切模量定义或通过8组塑性应变和应力的数组定义。应变率的影响采用Cowper-Symbols模型进行分析，具体材料参数见表3。其中：E′为聚脲弹性模量，MPa;ρ″为聚脲密度，kg/m3；ν为泊松比；σY为屈服应力，MPa；Et为剪切模量；σ0为常应变率处的屈服应力，MPa。

表3 聚脲涂层材料参数Table 3 Material parameters of polyurea coating

2 沉箱码头毁伤效应分析

2.1 无防护沉箱码头损伤分析

无防护沉箱码头在1 kg炸药爆炸下的损伤状态如图2所示。其中，箭头标注所示为爆坑直径。由图2可知，在1 kg炸药爆炸冲击波作用下，迎爆侧外墙发生严重变形，大部分混凝土被压碎剥落，在爆源中心正对的迎爆侧外墙产生1椭圆形的爆坑，爆坑随着直径的增加深度不断减小，在爆坑中心，混凝土保护层已完全被压碎裸露出钢筋骨架。在靠近爆源中心的部分，码头上部右侧管沟与下部仓格封仓板的连接部位出现分离，管沟断裂破坏。当爆炸冲击波传播到背爆侧外墙时会发生反射形成拉伸波，由于混凝土的抗拉强度较小，所以背爆侧外墙混凝土会产生拉伸破坏剥落，背爆侧外墙的损伤破坏程度明显低于迎爆侧外墙，仅有少部分的混凝土产生脱落。由于下部传来的冲击波作用，导致上部面板产生拉应力拱起，图2(a)中右侧管沟右上方出现断裂，下部管沟内壁向上拱起，由于冲击波随着距离的增大而衰减，所以在图2(a)中码头左侧的面板和管沟未产生明显的变形破坏，上部仓格基本完好，未出现较大的损伤。这与董琪等[16]开展沉箱码头水下爆炸试验的毁伤状态基本吻合，较好地验证模拟的准确性。董琪等开展的沉箱码头水下爆炸损伤破坏如图3所示。

图2 1 kg炸药量无防护沉箱码头破坏Fig.2 Damage of caisson wharf without protection under 1 kg explosive

图3 水下爆炸作用下沉箱码头毁伤破坏Fig.3 Damage of caisson wharf caused by underwater explosion

2.2 聚脲涂层对沉箱码头损伤的影响

由于3 mm和4 mm聚脲涂覆厚度与2 mm聚脲涂覆厚度对沉箱码头的保护作用相差较小，所以选取1，2，5 mm聚脲涂覆厚度进行说明。沉箱码头的侧外墙、迎爆面外墙、背爆面外墙均涂覆聚脲涂层，1 kg炸药量下不同聚脲涂覆厚度的沉箱码头损伤状态如图4～6所示。其中，箭头标注所示为爆坑直径。由图4可知，在1 mm涂覆厚度时，迎爆侧外墙产生1个较小的椭圆形爆坑，在靠近爆源中心的部分，码头上部右侧管沟与下部仓格封仓板的连接部位出现分离，钢筋骨架裸露出来，但混凝土压碎区较小。右侧管沟底部和封仓板受拉向上拱起，右侧管沟和封仓板均未产生明显的变形。后外墙和背爆面外墙均无明显的变形损伤，这是由于迎爆面的聚脲涂层吸收了大部分爆炸产生的冲击波和爆轰产物的能量，涂覆1 mm聚脲涂层的沉箱码头相较于未涂覆聚脲涂层的沉箱码头毁伤程度显著变小。2 mm厚聚脲涂覆沉箱码头破坏状态与1 mm厚聚脲涂覆时差异较小，所以不再赘述。

图4 1 mm厚聚脲涂层沉箱码头与无聚脲涂层沉箱码头破坏Fig.4 Damage of caisson wharf with 1 mm thick polyurea coating and caisson wharf without polyurea coating

图5 2 mm厚聚脲涂层沉箱码头与无聚脲涂层沉箱码头破坏Fig.5 Damage of caisson wharf with 2 mm thickness polyurea coating and caisson wharf without polyurea coating

图6 5 mm厚聚脲涂层沉箱码头与无聚脲涂层沉箱码头破坏Fig.6 Damage of caisson wharf with 5 mm thickness polyurea coating and caisson wharf without polyurea coating

在5 mm聚脲涂覆厚度时，椭圆形爆坑直径进一步减小，沉箱码头各部分的损伤程度相较于1 mm涂覆厚度情况下损伤程度降低。结果表明，涂覆聚脲涂层对沉箱码头具有良好的保护作用，沉箱码头的损伤程度具有较大的改善，尤其是对侧面和背爆面的外墙保护作用更为显著。

2.3 不同炸药量对沉箱码头损伤的影响

在2 kg和3 kg炸药量下，1，2，5 mm聚脲涂层沉箱码头的毁伤破坏如图7～9所示。

图7 2 kg和3 kg炸药量下1 mm聚脲涂覆厚度沉箱码头破坏Fig.7 Damage of caisson wharf with 1 mm thickness polyurea coating under 2 kg and 3 kg explosives

与1 kg炸药量下一样，沉箱码头在2 kg和3 kg炸药量下背爆面外墙和侧外墙均未产生明显的破坏。在2 kg和3 kg炸药量下，1，2，5 mm聚脲涂覆厚度的沉箱码头，在迎爆面的毁伤程度均大于在1 kg炸药量下的沉箱码头。随着炸药量的不断增加，在相同聚脲涂覆厚度下沉箱码头毁伤破坏程度不断增大，迎爆面混凝土压碎区面积增大，上部右侧管沟破坏程度进一步加大；在2 kg的炸药量下，随着聚脲涂覆厚度的增加，管沟与迎爆面外墙连接部位破坏毁伤程度不断减小，爆坑直径无明显变化；在3 kg炸药量下，随着聚脲涂覆厚度的增加，各部分的破坏状态无明显的改善，迎爆面各部分均破坏严重。

图8 2 kg和3 kg炸药量下2 mm聚脲涂覆厚度沉箱码头破坏Fig.8 Damage of caisson wharf with 2 mm thickness polyurea coating under 2 kg and 3 kg explosives

图9 2 kg和3 kg炸药量下5 mm聚脲涂覆厚度沉箱码头破坏Fig.9 Damage of caisson wharf with 5 mm thickness polyurea coating under 2 kg and 3 kg explosives

2.4 迎爆面主要毁伤外墙位移分析

1 kg炸药量下沉箱码头迎爆面外墙位移如图10所示。

图10 1 kg炸药量下沉箱码头迎爆面主要毁伤外墙位移Fig.10 Displacement of main damage outer wall on explosion surface of caisson wharf under 1 kg explosive

无论沉箱码头有无涂覆聚脲，迎爆面外墙底部位移均比最上部外墙位移小，在爆源附近处外墙产生的位移最大，这是由于水下爆炸冲击波传播到水面时产生的反射波和下部传来的冲击波叠加形成空化区域，在空化区域溃散时会对沉箱码头产生2次加载作用，导致沉箱码头上部墙体位移增大。由于空化效应影响较小，无聚脲防护的沉箱码头主要损伤在爆源附近，所以位移曲线呈现倒“V”型，而涂覆聚脲防护的沉箱码头本身外墙位移较小，所以空化效应对位移的影响效果较为明显，涂覆聚脲的沉箱码头外墙位移曲线呈现“S”型。

2.5 经济性分析

1 kg炸药量下，8，9 mm厚聚脲涂层沉箱码头破坏如图11所示。

由图11可知，当聚脲涂层的厚度增加到8 mm和9 mm时，沉箱码头的毁伤程度较5 mm聚脲涂层时的沉箱码头破坏程度相差较小，破坏均主要集中在迎爆侧外墙上部管沟。8 mm和9 mm厚度聚脲涂层时，沉箱码头迎爆侧外墙的最大墙体位移分别为2.31 mm和1.90 mm，相较于5 mm涂覆厚度的沉箱码头大幅下降，但8 mm和9 mm聚脲涂覆厚度时迎爆面外墙位移相差较小，无明显的差距，这表明此时聚脲涂层对沉箱码头保护已经到达1个临界点，再继续增加聚脲涂覆厚度，对沉箱码头的保护作用影响会较小，故从经济角度考虑没必要再继续增加聚脲涂覆厚度。