点阵夹芯结构拱形防护门抗爆性能研究

王梦莹,张君博,梁海志,张纪刚

(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525)

早期研究的防护门主要有钢筋混凝土防护门[1]和钢结构防护门[2],具有制作方便、性价比高的优点,但是为了满足技术指标的要求,存在门体质量重、结构形式和材料比较单一等不足,导致在使用过程中开启和维护不易、抢修抢建困难等一系列问题。随着对高抗力、大跨度防护门的需求,门体结构形式的改变是提高防护门抗力的一种有效方法,目前采用较多的结构形式主要包括钢包钢管混凝土[3]、钢包混凝土[4]、梁板式[5]等,但这些方法还是存在着质量过重的问题,综合应用新技术、新材料、新设备成果,目前研究防护门已由最初关注抗力的提高转变到对结构进行轻量化设计[6]。

防护门在满足规范指标的要求下要实现结构的轻量化,单一改变材料类型难以达到设计要求。 EVANS 等提出了点阵夹芯结构的概念[7-8],随着研究的深入,新型三明治夹芯结构“点阵结构”具有独有的结构特征和力学特性,例如高比强度、高比刚度等优良性能,还具有吸能、隔热、降噪、制动、吸声及电磁屏蔽等多功能性,可在保证强度的前提下弥补早期防护门质量重的短板。陈东等[9]总结了点阵夹芯结构性能,进一步明确了其良好的动态性能、吸能特点和防护性高的优点。依据点阵构型分类,点阵夹芯结构可分为二维格栅结构和三维点阵结构。目前研究的三维点阵夹芯结构主要有金字塔、四面体和3D-Kagome点阵夹芯结构等几种构型,而以往的研究发现金字塔型与其他点阵结构相比,具备更好的力学性能[10-12]。

为了解决传统防护密闭门存在的技术难题,基于平板门易于制造和便于与门框等土建接口配合安装的优势,同时利用拱形门同等条件下抗力更高的优点[13-14],本文提出了采用金字塔型点阵夹芯的新型点阵拱形防护门,并详细介绍了该防护门结构形式,采用有限元模拟验证了爆炸冲击波荷载下该点阵结构拱形防护门的优异性能,同时对该新型防护门的设计参数进行优化分析,以指导点阵夹芯结构拱形防护门结构的优化设计。

1 点阵夹芯拱形防护门几何构造

图1 GHFM1220钢结构活门槛防护密闭门

人防工程中常规的钢结构活门槛防护密闭门一般采用梁板式结构,本文选取由中国人民解放军总参工程兵第四设计研究院研制的GHFM1220防护门作为参照对象,以下简称GHFM1220防护门,其中,G是指钢结构,H是指活门槛,F是防护的意思,M是指密闭,1220是指门洞宽1.2 m,高2 m。GHFM1220防护门如图1所示,其门扇整体宽度为1.4 m,由前后面板和工字钢焊接而成的中间骨架共同构成,其中骨架由4道主梁和2道次梁构成,周边用边梁连接。GHFM1220防护门的抗力等级为核6,前后面板为6 mm厚钢板,主梁和次梁均采用工字钢,所选钢材均为Q235低碳钢,其中工字钢的型号为H×B×tw×tf=126 mm×74 mm×5 mm×8 mm,边梁采用槽钢,槽钢的型号为H×B×tw×tf= 126 mm×53 mm×5.5 mm×8 mm,其中H为腰高,B为腰宽,tw为腹板厚度,tf为翼缘厚度。

依据GHFM1220防护门的几何模型和应用场景,笔者设计新型点阵夹芯结构拱形防护门,如图2所示,其整体呈现拱形结构,长、宽与GHFM1220防护门相同,防护门由前后面板和中间点阵夹芯组成;前后面板厚分别为2和4 mm,夹芯采用低密度的点阵结构[15-16];拱形面板夹角α为15°,弦长为1400 mm,由两者确定拱高。

点阵夹芯结构由点阵单元沿着门的高度和宽度重复性组合而成,其组合方式如图2所示,拱形点阵夹芯门两个短边采用槽钢连接,型号为H×B×tw×tf= 60 mm×45 mm×6 mm×4 mm;两个长边采用异形角钢连接,型号为B1×B2×D= 87 mm× 43 mm ×4 mm,其中B1为长边宽,B2为短边宽,D为厚度。芯体截面边长L×W为2.8 mm×1.6 mm,点阵芯层高度H为60 mm,角度β=60°,门体的总厚度为66 mm。两种防护门的主要参数见表1。从表1可知,同一尺寸的两种防护门,普通防护门质量为点阵拱形防护门的3倍左右。

图2 拱形点阵夹芯防护密闭门

表1 GHFM1220防护门和拱形点阵夹芯防护门主要参数

2 防护门有限元模型建立与验证

采用有限元数值模拟方法,研究冲击波作用下点阵夹芯结构拱形防护门的防护性能,并与GHFM1220防护门的防护能力进行比较。本文重点关注防护门门扇的抗爆炸冲击波性能,因此在模拟过程中忽略门框、铰页和闭锁的影响,并假设门扇四边简支于门框。

2.1 材料模型及网格

1) 材料模型。在建立防护门有限元模型时,两种钢门面板、骨架和点阵结构均采用Q235钢制作,材料属性见表2。

表2 Q235材料参数

在爆炸或高速冲击等载荷作用下,钢材力学性能直接与应变速率和温度等因素相关,可在模拟过程中使用Johson-Cook本构模型[17],如下式:

(1)

表3 Johson-Cook模型参数

2) 有限元网格划分。采用实体单元对两种防护门进行网格剖分,经过多次网格有效性分析后发现当GHFM1220防护门网格尺寸为10 mm时,结果精度和计算效率较高。综合考虑计算时间和计算精度两个因素后,GHFM1220防护门网格尺寸确定为10 mm,模型共划分为98 520个单元,有限元模型如图3所示。点阵夹芯拱形防护门网格尺寸确定为6 mm,为了提高计算效率,取其1/4的结构进行分析,在2个自由边上施加法向约束,模型共划分为79 233个单元,如图4所示。

图3 GHFM1220防护门模型

图4 点阵夹芯拱形防护门模型

图5 空气冲击波

2.2 冲击波荷载

防护门设计时的控制荷载为核爆炸所引起的空气冲击波,在结构计算中,核武器爆炸产生的地面空气冲击波超压波形,可取在最大压力处按切线或按等冲量简化的无升压时间的三角形,如图5所示。

爆炸冲击波经过时,正压区对空气介质的作用程度要比负压区对空气介质的作用程度大,所以从研究结构抗力的角度而言,负压区作用可以忽略[18]。本文采用三角形等冲量简化的冲击波进行爆炸冲击波加载,根据《人民防空地下室设计规范》(GB 50038—2005)[19]得出按在核6下的出入口通道内第一道防护门冲击波超压设计值的取值ΔPm=0.15 MPa,t2=1.04 s,对两种防护门添加冲击荷载。

2.3 模型验证

为了验证有限元模型的精度,将GHFM1220防护门的计算结果与文献[5]中的相似梁板式防护门结构进行比较,如图6所示。

图6 爆炸荷载作用下门扇在t=13 ms时的位移、Mises应力和等效塑性应变

由图6(a)可以看出,面板位移较大,骨架梁上位移较小,且位移在结构中心处最大,逐渐向两侧递减,位移分布与文献[5]中位移分布基本一致;由图6(b)可以看出,应力在两侧工字钢末端最大,其他位置较小,有限元模型应力云图与文献[5]中基本一致;由图6(c)可以看出,塑性应变主要出现在两侧工字钢末端,其他位置几乎没有,等效塑性应变与文献[5]中基本一致。综合以上对比,表明模拟爆炸荷载作用下的防护门响应具有较高的准确性。

2.4 防护门抗爆性能分析

1) 防护门位移时程趋势分析。选取GHFM1220防护门后面板的5个节点分析防护门在冲击荷载下的动态响应,如图3所示。图 7为GHFM1220防护门位移响应。类似地,点阵夹芯拱形防护门同样选取5个节点,如图4所示。图8给出了相应的位移时程结果。

由图7可知,GHFM1220防护门2,3,5点的位移相差不大,原因是这3个点位于骨架梁交点处,而骨架梁的刚度较大,限制了后面板的位移;1,4点位于骨架梁间的面板上,所以其在冲击荷载下的面外位移较其他3个点大。且5个点的位移呈现波动下降趋势,其波动周期一致,冲击荷载作用下的最大位移均出现在第一个波峰,且波峰下降迅速,趋势明显,冲击作用50 ms后归于0.35 mm左右,该位移为门扇的残余位移。整个过程中防护门后面板上最大面外位移出现在点1,最大面外位移为1.102 mm。

由图8可知,点阵夹芯拱形防护门的位移曲线呈现周期性波动,且越往对称轴处靠近,波动幅度越大,越不容易趋于稳定,1,2,3点趋于稳定的速度明显慢于4点,且越是靠近外围的点,波峰和波谷的差异越明显。其整体呈现波动下降趋势,而且波峰较GHFM1220防护门的下降趋势快,最终位移也收敛于0.35 mm左右处。整个过程中防护门后面板上最大面外位移出现在点4,最大面外位移为0.618 mm。通过比较可知,点阵夹芯拱形防护门上的最大面外位移仅为GHFM1220防护门的56.1%,其整体抵抗冲击荷载变形能力更强。

2) 点阵夹芯拱形防护门位移与应力分布。图9为点阵夹芯拱形防护门在冲击波荷载作用0.1,1.0,5.0,9.0 ms时前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和点阵夹芯的位移云图。从图9中可知,0.1 ms时迎爆面承担主要冲击荷载,在点阵夹芯的作用下,前面板位移成周期性分布,并且对称轴处位移最大。随着荷载的持续作用,点阵单元产生位移,并将荷载传递到背爆面,但是背爆面位移规律不同于迎爆面,受门框墙处约束和拱形形状的共同影响导致该处点阵芯层的变形较小。

图9 点阵夹芯拱形防护门位移分布

点阵芯层在冲击波荷载作用后,起到了将迎爆面的荷载直接传递到背爆面的作用,且对称轴处的芯层通过变形吸收了部分能量。由于拱形结构本身具有将压力分解为向下的压力和向外的推力的特点,因此前面板的变形会随冲击波的作用时间逐渐由中心区域向下和向外移动,后面板的变形也呈现逐渐向外移动的趋势,在此过程中,点阵防护门上冲击波作用的中间位置变形逐渐减小。随着时间的增长,结构在冲击波荷载下趋于稳定,基于拱形结构水平推力作用,拱形点阵防护门各部分会互相挤压、结合紧密,最终可以承受巨大冲击波压力。

冲击波荷载作用0.1,1.0,5.0,9.0 ms时,点阵夹芯拱形防护门的前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和点阵夹芯的应力分布云图如图10所示。由图10可知,冲击波荷载作用后,点阵夹芯拱形防护门应力较大的区域首先分布在芯层的支撑杆上,支撑杆所构成的点阵芯层通过变形进行吸能,此时,前面板和后面板上的应力较芯层小,前后面板的应力较大区域出现在点阵与面板的接触区域。前面板出现变形后,在点阵作用下变形范围逐步扩大,然后逐步传递到后面板。且随着前面板与点阵芯体层承受的应力逐渐增加,发生变形吸能,从而导致后面板的应力减小。

3) 两种防护门抗爆性能对比分析。夹芯门被用作爆炸防护结构时,后面板一侧倘若变形过大,会对门的开启或关闭造成极大的困难,不利于人员的出入及逃生。选取后面板最大变形量和最大应力作为夹芯门抗爆性能的关键评价指标。选取两种防护门后面板上出现最大位移与最大应力的节点,两种防护门最大位移时程曲线与最大应力时程曲线如图11、图12所示。

图10 点阵夹芯拱形防护门应力分布

由图11、图12可以看出,GHFM1220防护门后面板和点阵夹芯拱形防护门后面板在同一冲击波荷载作用下,点阵夹芯拱形防护门后面板最大位移和最大应力均较GHFM1220防护门小,点阵拱形防护门的归拢速度较GHFM1220防护门快,且点阵夹芯拱形防护门的总质量仅占GHFM1220防护门总质量的37.71%,具有轻质、节省材料的优秀特征,而且如有特殊需要,门体越大,越节省安装材料。

3 参数优化分析

点阵夹芯拱形防护门主要由三部分组件构成,分别是前面板、后面板、拱形芯体层。防护门的抗爆性能受前面板厚度、后面板厚度、拱形芯体层的尺寸(高度、半径)、密度等[16]影响,为了指导对此类点阵夹芯拱形防护门优化设计,分别对其参数进行建模分析。

3.1 前面板因素影响

保持点阵夹芯拱形防护门的其他参数和冲击荷载不变,与表1一致,分别取前面板厚度为1.0,1.5, 2.0,2.5和3.0 mm进行建模,不同点阵拱形防护门后面板最大位移如图13所示。

图13 前面板厚度对防护门最大位移的影响

由图13可知,随着前面板厚度增大,后面板的最大位移增大。从夹层结构吸能角度出发,前面板越薄,前面板在冲击荷载下的变形越大,爆炸冲击波所产生的大部分能量均通过前面板的局部变形和芯层来吸收;随着前面板厚度的增加,前面板局部变形减小,其吸能降低,整个结构产生较大位移,并将荷载由芯层传递至后面板,导致后面板最大位移增加。

3.2 后面板因素影响

保持点阵夹芯拱形防护门的其他参数和冲击荷载不变,与表1一致,分别取后面板厚度为2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 mm进行建模,不同点阵拱形防护门后面板最大位移如图14所示。

由图14可知,随着后面板厚度的增加,后面板的变形量逐渐减小。同时综合前面板厚度增大,后面板变形增大的特点,点阵夹芯拱形防护门在进行设计时,要尽量减小前面板的厚度,增大后面板的厚度,以确保后面板的变形较小,使得爆炸冲击波的能量尽量被前面板与芯层吸收,在相同钢材用量下,提高整个点阵夹芯拱形防护门的抗爆性能。

3.3 点阵夹芯支撑杆尺寸影响

保持点阵夹芯拱形防护门的其他参数和冲击荷载不变,与表1一致,分别取支撑杆横截面尺寸L×W为0.5 mm×0.5 mm,1.0 mm×1.0 mm,1.4 mm×1.4 mm,1.8 mm×1.8 mm,2.8 mm×1.6 mm进行建模,不同点阵拱形防护门后面板最大位移如图15所示。

图15 不同支撑杆尺寸的防护门最大位移

由图15可知,支撑杆的横截面较小时,点阵单元强度较小,则防护门在受到爆炸载荷冲击时,点阵芯层会迅速地发生损坏,此时前后面板成为主要吸能部件,后面板的最大位移较大,因而金字塔型点阵夹芯板芯体腹杆截面尺寸不宜过小。金字塔型点阵夹芯板芯体腹杆截面尺寸存在最优值,使芯体层充分发挥缓冲吸能特性。同时,卫聪敏[16]研究表明在只考虑夹芯板面比吸能的情况下,低密度金字塔型点阵夹芯板的吸能特性优于高密度金字塔型点阵夹芯板。

4 结论

本文提出一种新型的点阵夹芯拱形防护密闭门,在忽略门框、铰页和闭锁的影响下,采用数值模拟方法对其抗爆性能进行了研究,并与传统的GHFM1220防护门进行比对。得出以下结论:

1) 点阵夹芯拱形防护门与传统梁板式钢制防护门具有同等抗爆防护能力时,其质量仅为传统梁板式钢制防护门的37.71%,达到了轻质、高防护的设计目标。

2) 在受到冲击波荷载的作用时,前面板首先受力,在芯层结构作用下通过扩孔变形吸收冲击能量,然后传给点阵芯层,芯层受力产生变形,进一步发挥吸能作用,最后将剩余迎爆面的荷载传递到背爆面。前面板的变形会随着冲击波的作用时间逐渐由中心区域向下和向外移动,后面板的变形也呈现逐渐向外移动的趋势,由于迎爆面和芯层的充分耗能,背爆面的位移远小于迎爆面,达到了防护要求。

3) 通过参数分析可知,几何参数对抗爆性能的影响很大,因此,点阵夹芯拱形防护门在进行设计优化时,为了使前面板发生破坏变形发挥吸能作用,应使前面板的厚度较薄,提高后面板厚度,在控制支撑杆横截面适宜的基础上保证点阵单元能够让前面板和芯层相互配合协调,以减小后面板的位移,满足防护门的防护要求。