3种钢筋混凝土抗爆结构防护性能研究

王成， 仲彦旭， 王万里， 昝文涛， 迟力源， 魏新熙

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院，北京 100053)

为防止临近建筑物内易燃易爆品发生殉燃、殉爆，同时保障建筑物内人员安全，现有针对火炸药、引信、雷管、战斗部等易燃易爆品的生产厂房、储存仓库进行爆炸防护的措施主要包括：建筑物抗爆泄爆结构设计、建筑物外围修建防护设施等措施[1]. 常见的建筑物外围抗爆防护设施为防爆土堤，即由泥土堆成的堤坝形结构，防护效果有限，且需占用大量空间，土地利用率低，在空间上对建筑物群规划建设方案形成掣肘. 随着易燃易爆品爆炸性能的提升以及工厂改造等需求的出现，亟需采用新型防护技术，设计新型抗爆结构，提升空间利用率，满足火炸药、弹药等易燃易爆品生产人员和生产设备的防护需求. 钢筋混凝土结构因其优异的抗连续倒塌力学性能和较高的防护效果成为当前建筑结构抗爆设计的首选，国内外学者对此做了大量研究. 王茹楠[2]对钢板、纤维混凝土组成的复合抗爆墙进行了抗爆性能及其影响因素进行了研究，分析了爆炸冲击下复合抗爆墙的动态响应，并对其影响参数进行了研究. 丁娜娜等[3]对悬臂式防爆墙的冲击波防护效果进行了研究，采用LS-DYNA软件对设置防爆墙的冲击波流场进行了数值模拟，得到了防爆墙后冲击波压力的超压衰减率. ALSUBAEI[4]采用ProSAir有限元程序、缩比试验及全尺寸试验对近场爆炸作用下钢筋混凝土结构的防护效果进行了研究，重点分析了刚性盖板结构、平面防爆结构、聚氨酯泡沫填充、泡沫铝加固等影响因素对于防护效果的影响. SHERIF等[5]采用有限元方法对于超高性能纤维增强混凝土在爆炸冲击载荷下的动态力学行为进行了数值模拟研究，同时对厚度、配筋率等影响因素进行了分析. SEMAN等[6]采用AUTODYN软件对不同配筋方式钢筋混凝土在爆炸冲击作用下的损伤及倾倒程度进行了数值模拟研究，并与试验进行了对比. 虽然国内外学者对钢筋混凝土防护作用做了大量研究，然而针对钢筋混凝土抗爆结构设计对于冲击波防护效果的影响研究较少，并且以上研究多数通过商用软件完成数值计算，无法对大范围、工程尺度的炸药爆炸、冲击波传播以及与复杂结构的相互作用全过程进行完整描述. 因此本文针对冲击波防护，设计了3种不同构型的钢筋混凝土抗爆结构，并且基于自主开发的高精度大规模仿真软件，对不同构型端面重墙结构的抗爆性能进行了全尺寸高精度数值仿真计算.

1 爆炸冲击计算方法

1.1 控制方程

具有自主知识产权的高精度大规模仿真软件采用欧拉方程组[7]对爆炸流场问题进行高精度计算. 三维守恒型欧拉控制方程组可表示为

(1)

其中，

式中:u、v、w分别为x、y、z三个方向的速度;E为材料单位质量的总能量;e为材料比内能.

E=e+(u2+v2+w2)/2

(2)

软件针对不同物质提供了多种状态方程，在本研究中，对于空气采用理想气体状态方程

p=(γ-1)ρe

(3)

式中:γ为气体绝热指数，对于空气取γ=1.4；空气初始密度ρ0为1.225 kg/m3；初始压力p0为0.101 3 MPa. 对于炸药及其爆轰产物采用JWL状态方程：

(4)

式中:ρ0为炸药的初始密度;A、B、R1、R2、ω为JWL状态方程参数. 对于TNT炸药，软件内置TNT炸药JWL状态方程参数[8]如表1所示.

表1 TNT炸药JWL状态方程参数

1.2 高精度计算方法

炸药爆炸后的流场数值模拟为多物质相互作用问题，软件采用Level-Set方法[9]隐式地对多物质界面进行追踪，采用真实虚拟流体方法(real ghost fluid method，RGFM)[10]实现多物质强耦合相互作用求解，通过将多物质相互作用问题解耦为各物质的单物质问题，可采用统一格式对计算域进行高精度求解. 由于炸药距离端面重墙结构建筑物距离较远，爆炸冲击波对端面重墙结构无法造成破坏，因此将端面重墙结构视为刚体进行计算.

虚拟流体方法(GFM)可以有效地避免多物质界面附近物质状态出现非物理震荡. 针对GFM方法进行改进，可以将GFM方法用于处理流体-刚体之间相互作用的问题，即为壁面虚拟流体方法(WGFM)[11]. WGFM通过在界面两侧构造局部壁面黎曼问题，实现对流体与刚体相互作用的有效处理. 采用HLLD方法[12]对壁面黎曼问题进行求解，将界面左右两侧非线性波均近似为激波，因此左右两侧非线性波满足R-H关系：

sLU*L-F*L=sLUL-FL

sRU*R-F*R=sRUR-FR

(5)

式中:sL、sR分别左右两侧波速. 在界面处，界面两侧物质需满足位移连续条件及压力连续条件：

u*L=u*Rp*L=p*R

(6)

联立方程式(5)(6)即可通过迭代求得界面处材料的真实物理状态，即为近似黎曼解. 将壁面近似黎曼解赋值给界面两侧真实物质点及虚拟物质点，即可实现多物质强耦合相互作用.

软件采用5阶WENO有限差分格式[9]对式(1)欧拉控制方程组进行空间离散，采用三阶TVD Runge-Kutta方法进行时间离散，实现炸药爆炸冲击波复杂流场的高精度数值仿真.

2 端面重墙结构爆炸冲击波流场高精度仿真研究

2.1 端面重墙防护结构

针对爆炸物冲击波防护，本研究设计了3种不同构型的端面重墙结构，主跨结构一致，根据翼墙结构的不同分别为直线型、斜线型以及折线型结构，如图2～4所示.

图1 壁面虚拟流体方法示意图

图2 直线型端面重墙结构初始建模图

图3 斜线型端面重墙结构初始建模图

图4 折线型端面重墙结构初始建模图

为了避免迎爆面面积对于防护性能的影响，3种构型端面重墙结构整体跨度、高度相同，分别为13 m、6.8 m；主墙结构相同，厚度为0.3 m，长度为9 m，高度为6.8 m；支撑结构相同，高度为6.8 m，厚度为0.25 m，长度为0.9 m. 直线型翼墙结构与主墙平齐，厚度、高度相同，长度为2 m；斜线型翼墙结构与主墙夹角为45°，厚度与主墙面相同，在平行于主墙方向的投影长度为2 m；折线型翼墙结构基于直线型结构，在翼墙两侧增加了垂直于主墙面的折线形结构. 3种构型的端面重墙结构与尺寸如图5所示.

图5 3种构型端面重墙结构与尺寸示意图

通过设计端面重墙主墙结构可以有效的对爆炸冲击波进行反射，阻挡冲击波继续向后传播，翼墙结构具有对绕射冲击波的阻隔作用，对房屋侧面形成防护效果，支撑结构可以保持整体结构的稳定性，防止端面重墙结构在冲击波作用下出现倒塌. 不同翼墙结构对于冲击波反射与绕射的效果不同，基于大规模高精度仿真软件对3种构型端面重墙结构对冲击波的防护效果进行模拟，选取最优的抗爆防护结构.

2.2 冲击波流场规律研究

针对不同构型端面重墙结构对冲击波的衰减作用进行了研究，1 t TNT炸药放置于距离端面重墙45 m处位置，超压监测点布置位置如图6及表2所示.

表2 流场超压监测点位置

图6 流场超压监测点位置示意图

图7以折线型端面重墙防护结构为例展示了爆炸冲击波的传播与结构作用过程. 可明显看到冲击波在重墙结构迎爆面的反射过程以及翼墙对绕射冲击波的阻隔过程，流场测点的时程曲线如图8～10所示.

图7 折线型构型端面重墙结构流场压力等值面图

图8 重墙外侧中线测点压力-时间曲线(P1～P10)

P1～P10测点位于端面重墙前，曲线中第一个波峰为炸药爆炸产生冲击波的波峰，由于3种工况均为45 m处1 t TNT爆炸产生的冲击波，因此3种构型P1～P10曲线第一个波峰超压值一致，并可以看出冲击波在自由场空气中的衰减过程. P1～P5测点距离端面重墙距离较近，在曲线图中，可以明显看出爆炸产生的冲击波在到达端面重墙之后由于墙面反射形成的反射冲击波，反射冲击波主要由主墙面反射产生，由于3种构型主墙面结构一致，因此第二个超压峰值无明显差异.

P11～P14测点位于房屋侧面，房屋侧面测点的超压曲线主要受到端面重墙翼墙结构对冲击波阻隔、反射、绕射的影响. 由P11测点数据可以看出，翼墙结构对于冲击波具有明显的防护效果，并且折线型翼墙结构对于临近房屋处的冲击波压力具有更好的阻隔效应，其次是斜线型翼墙结构，直线型翼墙结构对于冲击波压力的阻隔效果最差. 由P12测点数据可以看出，折线型与斜线型翼墙结构对于冲击波具有较好的反射绕射效果，将距离房屋较近处的冲击波通过绕射传播至距离房屋较远处，确保距离房屋较近处冲击波超压峰值较小. P13、P14测点由于距离太远，翼墙结构的影响不明显，因此3种构型超压峰值没有太大差异. 因此翼墙结构对于房屋及距离房屋较近处具有良好的防护效果，可以有效地将绕射冲击波阻隔，且不同结构防护效果具有较大差异，其中折线型翼墙结构防护效果最佳.

图9 房屋侧墙外测点压力-时间曲线(P11～P14)

P15～P20为房屋内部的点，由这些测点的数据更能明显地反映出不同构型端面重墙结构对于冲击波的防护效果. P15～P17为房屋内部中线上的测点，P18～P20为房屋内部偏离中线靠近窗户的测点，对比两处不同位置的测点可以看出，中线上的测点冲击波超压峰值要大于靠近窗户处的测点，这是由于冲击波在进入房屋后在中线处形成了汇集，造成了冲击波超压峰值的上升. 由不同构型房屋内测点的数据可以明显看出，3种不同构型对于冲击波防护效果的不同，折线型端面重墙结构相较于其他两种构型具有更好的防护效果.

图11为不同翼墙结构冲击波反射、绕射压力云图. 对比3种结构冲击波流场分布规律，冲击波在直线型结构A区域形成的马赫反射波强度明显高于其他两种翼墙结构，其中，折线型结构无法看到明显的马赫反射波. 在厂房内部，部分冲击波会经由窗户等联通结构传播至B区域，对比3种结构，折线型结构由于翼墙的二次绕射作用，最终导致B区域冲击波压力明显低于直线型结构与斜线型结构. 针对不同翼墙端面重墙结构的对比分析可以看出，由于折线型翼墙结构包含两个拐角，对冲击波形成了二次稀疏作用，可以有效降低侧面距离房屋较近处冲击波的超压，因此认为折线型端面重墙结构对于冲击波防护具有更明显的效果，防护效果最佳.

图11 不同翼墙结构冲击波反射、绕射压力云图

对于折线型端面重墙开展了抗爆性能实验，图12为钢筋混凝土端面重墙及房屋，P21～P22为房屋砖墙外墙面两侧壁面超压监测点，其曲线数据如图13所示. 由于端面重墙翼墙结构，P22测点超压值低于P21测点，对比数值模拟与试验结果，压力峰值相差较小，证明了软件模拟的有效性.

图12 折线型端面重墙结构试验建筑结构及测点示意图

图13 房屋侧墙测点(P21～P22)

3 结 论

针对易燃易爆等危险化工品防护需求，设计了3种不同构型的钢筋混凝土端面重墙结构，用于代替传统的防爆土堤抗爆结构，相较于传统的土堤结构，可以节省大量占地面积，提高土地利用率，避免对生产厂房、仓库等建筑群设计形成掣肘. 端面重墙主墙可以有效地对冲击波进行反射，阻隔冲击波的传播，翼墙可以对绕射冲击波进行有效的阻隔，降低端面重墙后房屋侧面冲击波超压峰值，并且通过数值模拟发现，不同构型的翼墙结构对于冲击波均有不同的防护效果，折线型翼墙结构由于其两个拐角的结构设计，可以起到更好的防护效果. 因此在实际应用中，宜优先选用折线型端面重墙结构对爆炸冲击波进行防护.