地下防護結構在沖擊載荷作用下的動態破壞過程＊

李旭東，劉凱欣，閆鴻浩，李曉杰，王 帥

（1.中國航空綜合技術研究所，北京100028；2.北京大學工學院力學與空天技術系湍流與復雜系統研究國家重點實驗室，北京100871；3.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024）

1 引 言

深鉆地彈武器的發展對地下防護工程已構成嚴重的威脅，對地下防護工程的研究近年來成為了沖擊工程領域研究的一個熱點［1－4］，但非常缺乏有效的實驗數據。

本文中，通過數字高速攝影技術和動態電測實驗技術，對馬蹄形地下防護結構在沖擊載荷作用下的動態破壞過程進行縮比模型實驗研究，了解馬蹄形地下防護結構在沖擊載荷作用下破壞過程的一些重要特點和規律。并且，通過這些實驗數據驗證采用LS－DYNA 顯式動力學有限元計算軟件對于地下防護結構在沖擊載荷作用下的破壞過程進行數值計算分析的可行性和正確性。

2 縮比模型實驗

2.1 實驗模型試件

馬蹄形地下防護結構縮比模型試件在水泥砂漿質基體上，按照不同的厚度內嵌了泡沫混凝土和C30混凝土，如圖1所示，所用的混凝土類材料的配比和制作方法見表1。在實驗中，部分馬蹄形模型試件的內部緊貼著內壁加裝了1層鋼板。

整個模型試件可以分為2部分：處于上部、橫截面呈錐型的加載頭和處于下部的試件。加載頭和試件在接觸端（即試件的上端）通過混凝土粘合劑粘接，試件的下端與地面間墊有橡膠墊。設計和使用橫截面呈錐型的加載頭，是為了使入射波在變截面處得到透射加強，提高生成載荷的強度。

圖1 試件結構Fig.1Structure of the specimen

表1 混凝土類材料的成分配比Table 1 Component proportions of concrete materials

2.2 實驗系統和方法

如圖2所示，實驗系統的最上端是一個載荷發生器，通過該發生器可以產生一個特定的強沖擊載荷作用到試件的上端。基本工作原理是，通過引爆雷管炸開用以分離載荷發生器內部高壓氣室和水箱之間的鋁板，實現高壓氣室和水箱間的聯通，將壓縮空氣瞬間釋放，作用力經由水介質作用到試件上，產生滿足特定規律的沖擊載荷。

實驗時，以雷管爆炸的瞬間作為零時刻給出同步信號。該信號經同步觸發電路，觸發FASTCAM－ultima PAX－i2型數字高速攝影機開始工作，以20ms－1的拍攝速度和128×256的分辨率，記錄沖擊載荷作用下馬蹄形地下防護結構模型試件的動態破壞過程；同時，該同步信號通過DS310型數字延時同步機，同步觸發Tektronix TDS2024型數字示波器，記錄經SDY2107型超動態應變儀放大的、4路電阻應變片的應變信號，從而通過電阻應變片動態電測系統獲得馬蹄形地下防護結構模型試件上4點應變隨時間的變化過程。此外，載荷發生器內部放置了壓電傳感器，通過自觸發模式觸發數據采集系統，記錄實驗中載荷發生器實際產生的載荷波形，該波形將用于通過數值計算分析實驗過程時有限元模型的建立。

2.3 實驗結果及分析

實驗共進行了10發余，取得了較多的實驗數據，而且重復性良好。

圖2 實驗系統示意圖Fig.2Sketch of the experiment system

2.3.1 動態破壞過程

圖3為沖擊載荷作用下馬蹄形地下防護結構縮比模型的動態破壞過程。

由圖3（a）可見，載荷發生器形成的入射壓縮波在試件的底端反射后形成拉伸波（模型試件的底部均墊有橡膠墊），反射拉伸波向上傳播至馬蹄形試件的底部，并產生了第1道裂紋；此后，應力波繼續在試件的上端和下端間來回反射和傳播，經歷約1.6 ms后，應力波再次由試件的上端傳播至馬蹄形試件的拱頂部，產生了第2條裂縫。該裂縫首先沿著中軸線，在水泥砂漿與泡沫混凝土交界的地方產生，然后沿著水泥砂漿基體向上擴展。而在馬蹄形結構的底部，隨著先期產生的第1條裂縫的加劇，馬蹄形結構的下端向上翹起，產生了嚴重的破壞。

圖3 馬蹄形試件的動態破壞過程Fig.3 Dynamic damage process of horseshoe－shaped specimens

由圖3（b）可見，內層未加裝鋼板的試件的破壞過程，與內層加裝鋼板的試件的破壞過程非常類似，也是在反射拉伸波的作用下，馬蹄形結構的底部首先沿著C30材料的內壁開裂，并且裂縫沿著下部的水泥砂漿基體繼續張開。同樣，結構的拱頂也隨后出現開裂，而且，由于內層沒有加裝鋼板作為支撐，使得整個拱頂垮塌了下來。

由此可知馬蹄形地下防護結構在沖擊載荷作用下動態毀傷過程的特點和規律：

（1）馬蹄形結構的底部是整個結構最為脆弱的部分，在反射拉伸波的作用下，結構在此處最先開裂，并且隨著破壞程度的加劇和累積，整個底部向上翹起，嚴重破壞了整體結構，需要著重加強防護。此外，馬蹄形結構的拱頂部位沿中軸線也都出現了巨大的裂縫，同樣是需要予以重點防護的區域。

（2）在內層加裝鋼板或其他高強度防護材料，可以提高馬蹄形地下防護結構的抗沖擊能力。如果不加裝內層高強度防護結構，隨著馬蹄形防護結構在拱頂出現巨大的裂縫和嚴重的破壞，結構頂部會整體垮塌下來。在內層加裝了鋼板后，由于高強度內壁對整個結構起到了支撐作用，整個結構最終也沒有垮塌。加裝了內層鋼板的試件在實驗結束后仍然是一個結構完全的整體，而沒有加裝內層鋼板的試件全部垮塌成一堆碎片。圖4給出了加裝了內層防護鋼板的模型試件在實驗前后的狀態。

圖4 內層加裝鋼板的試件在實驗前后的形態Fig.4 Appearance of the specimen with the inner steel plate before and after experiment

（3）結構的開裂并不是初次入射的應力波剛傳播時就產生的，而是應力波在結構內部經多次入射、反射后才產生的，是動態累積的過程。該累積過程造成了對馬蹄形地下防護結構拱頂部位的壓彎破壞，結構內側形成了拉應力集中區，拉應力破壞模式在整個破壞過程中起主要作用，材料的抗拉強度直接影響這類結構的抗毀傷能力。

2.3.2 應變和載荷

圖5為內層加裝鋼板的地下防護結構模型中4點應變隨時間的變化過程。可以看到：初始入射壓縮波在由試件的上端傳播至下端的過程中明顯出現了衰減；入射壓縮波在試件的下端反射后形成反射拉伸波。圖6為載荷發生器生成和實際作用到試件上的載荷。

圖5 結構中應變隨時間的變化Fig.5 Variations of strain with time in the structure

圖6 載荷發生器生成的載荷Fig.6 Loading generated by the loading generator

3 數值計算分析

采用LS－DYNA 顯式動力學有限元軟件，對內層加裝鋼板的馬蹄形地下防護結構縮比模型在沖擊載荷作用下的動態破壞過程進行了數值模擬。幾何模型的3D 建模與圖1實際結構一致。水泥砂漿、泡沫混凝土和C30混凝土采用體單元Solid 164劃分網格，并且在結構的內部緊貼著拱形內壁用Shell 163殼單元添加了一層鋼板。水泥砂漿和C30混凝土采用＊MAT＿JOHNSON＿HOLMQUIST＿CONCRETE材料模型，鋼板采用＊MAT＿JOHNSON＿COOK 材料模型，泡沫混凝土采用＊MAT＿CRUSHABLE＿FOAM 材料模型。全部模型參數由前期進行的系列材料參數測試實驗及相關文獻中獲得［5－6］。根據實驗中測得的多組載荷發生器產生的實際載荷曲線，確定加載載荷的升載時間為150μs。在計算過程中，結構底端固定，其余表面自由。

通過數值計算得到的內層加裝鋼板的馬蹄形地下防護結構縮比模型破壞形態，與實驗結果基本一致。圖7為馬蹄形地下防護結構模型中應變片2處沿豎直方向正應變隨時間的變化過程。由于實驗中試件的下端與地面之間墊有橡膠墊，這種邊界條件既不是固支、簡支，也不是自由端，不能嚴格對應數值計算中的精確約束。但是，對比此前未受反射波干擾的第1個入射波峰值的大小及隨時間的變化規律，可以看出，數值模擬所得的結果與實驗中應變片的實測結果比較吻合。

圖7 馬蹄形地下防護結構應變隨時間的變化Fig.7 Variations of strain with time in the horseshoeshaped underground protective structure

4 結 論

通過數字高速攝影技術和動態電測技術，獲得了內層加裝鋼板和未加裝鋼板的2種馬蹄形地下防護結構縮比模型，在沖擊載荷作用下動態毀傷過程的實驗數據。由實驗可知：

（1）馬蹄形結構的底部在整個結構中最脆弱，結構在此處將最先開裂，嚴重破壞整體結構；馬蹄形結構的拱頂部位也會沿中軸線出現巨大裂縫。

（2）在內層加裝鋼板或其他高強度防護材料，可以提高馬蹄形地下防護結構的抗沖擊能力。

（3）在沖擊載荷作用下地下防護結構的開裂是一個動態累積的過程。拉應力破壞模式在整個破壞過程中起主要作用，材料的抗拉強度直接影響這類結構的抗毀傷能力。

用LS－DYNA 軟件對縮比模型實驗進行了數值計算分析。經實驗結果驗證，選擇了合適的材料模型和參數，數值計算可以較準確地模擬地下防護結構的縮比模型在沖擊載荷作用下的動態毀傷過程。這可為相關問題原型的數值計算分析提供參考。

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