爆炸荷載下沉箱重力式碼頭模型毀傷效應*

李凌鋒，韋灼彬，唐 廷，董 琪，劉靖晗，邱艷宇

(1.海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033；2.海軍勤務學院海防工程系，天津 300450；3.陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

我國海岸線漫長，島嶼眾多，港口工程已成為我國和平時期經(jīng)濟建設的重要基礎支撐。碼頭作為港口工程最主要的組成部分，承擔著海上與陸地間人力、物資往來橋梁的作用。隨著當前偶然爆炸和恐怖襲擊的增多，碼頭結構一旦受損，勢必影響港口的正常運轉(zhuǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。因此，開展碼頭結構在爆炸荷載下的毀傷效應研究、從而為碼頭結構搶建搶修技術方案提供科學依據(jù)，對于提高碼頭保障能力具有重要意義。

爆炸荷載下碼頭結構毀傷效應研究是一個涉及大體積混凝土本構、爆炸沖擊波傳播、多介質(zhì)瞬態(tài)動力耦合、結構動態(tài)響應等多方面內(nèi)容的復雜課題，國內(nèi)外關于碼頭結構的毀傷模式、失事機理及其抗爆特性的研究成果很少，大部分研究主要集中在對鋼筋混凝土構件抗爆性能上。已有研究結果顯示：(1)爆炸荷載下鋼筋混凝土板的破壞模式主要有爆坑、裂縫、震塌、貫穿破壞等[1-5]；(2)爆炸荷載下鋼筋混凝土柱的破壞模式主要有彎曲、彎剪以及剪切破壞等[6-7]；(3)鋼筋混凝土在空中爆炸荷載下的破壞程度明顯小于水下爆炸荷載下的[8-9]。另有一些學者對鋼筋混凝土框架結構建筑在爆炸荷載下的整體性能進行了研究[10-12]。韋灼彬[13曾對樁基梁板碼頭的抗爆性能進行過試驗及數(shù)值模擬研究，但對于分布更為廣泛的沉箱重力式碼頭還未見相關研究報道。

本文中，以沉箱重力式碼頭作為研究對象，開展爆炸荷載下沉箱重力式碼頭模型毀傷效應的實驗研究，探索該型結構在不同爆炸荷載下的毀傷模式，分析可能的破壞機理并對比不同爆炸荷載下碼頭損傷程度，以便進一步利用數(shù)值模擬方法開展全尺寸真實沉箱重力式碼頭在爆炸荷載下的毀傷效應研究。

1 實驗設計

1.1 實驗模型

以現(xiàn)有突堤式沉箱重力式碼頭為參考，按照與實際結構尺寸比1:5的整體尺寸縮比設計原則，兼顧施工可行性和實驗條件，制作沉箱重力式碼頭模型。碼頭主體長(即岸壁方向)298 cm、寬162 cm、高219 cm。碼頭下部為沉箱結構，高180 cm，由外墻、沉箱底板、封倉板、內(nèi)隔墻及其所圍成的6個倉格以及倉格內(nèi)的飽和沙構成。碼頭上部結構高39 cm，由面板、外墻、管溝底板、管溝內(nèi)壁及其所圍成的管溝和倉格以及倉格內(nèi)的干沙構成。為了便于實驗結果的描述，對碼頭四面外墻進行編號。將碼頭每側長度方向外墻等分成3份、每側寬度方向外墻等分成2份，從更靠近炸藥的長度方向外墻起，按照逆時針方向依次編號1#～10#。碼頭模型三視圖及其剖面圖如圖1所示。

圖1 碼頭模型三視圖及其剖面圖Fig.1 Three-view drawing of the wharf model and its sectional view

碼頭模型為鋼筋混凝土組合結構，只有上部倉格面板和封倉板未配筋。鋼筋采用普通Q235，混凝土設計強度C30，沙為普通河沙。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，對碼頭下部結構和上部結構混凝土分兩次現(xiàn)場澆筑，并各自預留3塊混凝土試件進行28 d自然養(yǎng)護下強度測試。測試結果表明下部結構混凝土平均強度為35.0 MPa，上部結構混凝土平均強度為28.2 MPa。主要部位混凝土厚度及配筋情況如表1所示。

表1 主要部位混凝土厚度及配筋情況Table 1 Concrete thickness and matching bar condition of main members

1.2 實驗方案

考慮到爆炸荷載環(huán)境條件對結構的毀傷模式影響較大，因此設計空中爆炸、水下爆炸及結構內(nèi)爆炸3種典型的爆炸荷載工況、在野外進行結構抗爆實驗。實驗在直徑800 cm、深800 cm的圓柱形坑洞內(nèi)開展。實驗開始前將碼頭吊裝至洞底中心位置附近，然后向坑洞內(nèi)注水，使水深達到180 cm。在保證安全性的前提下，為了使實驗效果明顯易于觀察，各實驗均采用1 kg TNT當量的圓柱狀PENT炸藥。

空中爆炸采用接觸爆炸方式，炸藥底面平置放于碼頭面板中心。水下爆炸采用非接觸爆炸方式，炸藥被固定在水中90 cm深處，底面朝向碼頭岸壁，其中心距離碼頭岸壁中間100 cm。結構內(nèi)爆炸中，炸藥通過一預留在碼頭沉箱中間倉格中、緊靠橫向內(nèi)隔墻中間處的豎向通直PVC管被埋在距沉箱底部90 cm處，底面朝下。各實驗的炸藥布置方案如圖2所示，實驗方案如表2所示。

圖2 炸藥布置方案Fig.2 Explosive arrangement

編號爆炸類型藥量/kg炸藥位置試件編號1空中爆炸1碼頭面板中心處AE2水下爆炸1岸壁中間,離壁100cm,水深90cm處UW3結構內(nèi)部爆炸1近似碼頭中心,距箱底90cmIM

2 實驗結果與分析

2.1 空中爆炸

空中爆炸荷載下碼頭毀傷模式如圖3所示。碼頭面板爆點處局部區(qū)域被炸穿，形成一近似圓形的洞口。圓洞直徑沿面板厚度方向分布不均，在面板上、下兩面略大，在中間處最小。經(jīng)測量，在碼頭長度方向上，圓洞上口直徑為49.2 cm、中間直徑為36.5 cm、下口直徑為50.1 cm；在碼頭寬度方向上，上口直徑為45.0 cm、中間直徑為35.2 cm、下口直徑為46.1 cm。圓洞正下方倉格內(nèi)沙體略有凹陷但程度不大。沿圓洞周圍在碼頭面板上產(chǎn)生一圈放射狀黑線，這是爆炸遺留產(chǎn)物。除爆炸產(chǎn)生的圓洞外，碼頭面板上無其他明顯損傷，碼頭結構整體亦完好無損。

圖3 空中爆炸碼頭毀傷模式Fig.3 Damage mode of the wharf under explosion in air

空中爆炸荷載下碼頭的這一毀傷模式與固支混凝土板[13類似。炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體在極短時間內(nèi)對混凝土產(chǎn)生沖擊，使混凝土表面在壓縮應力波的作用下粉碎破壞，形成上寬下窄的漏斗坑。當壓縮應力波傳遞到混凝土背爆面時，由于干沙(或空氣)的波阻抗遠小于混凝土，壓縮應力波將在介質(zhì)表面反射產(chǎn)生強烈的拉伸應力波。在拉伸應力波的作用下，混凝土背爆面崩塌層裂，形成下寬上窄的漏斗坑。當混凝土板較薄時，上下漏斗坑貫穿相連，形成上下寬、中間窄的爆坑。

2.2 水下爆炸

水下爆炸荷載下碼頭毀傷模式如圖4所示。碼頭迎爆面破壞較為嚴重。在爆炸沖擊波的直接作用下，1#、2#和3#墻面均出現(xiàn)不同程度整體內(nèi)凹，其中2#墻面內(nèi)凹程度最重、1#最輕。由于墻面內(nèi)凹，在各墻面凹陷區(qū)邊緣產(chǎn)生了環(huán)狀裂縫。在2#墻面中間偏下位置還出現(xiàn)一小塊內(nèi)凹區(qū)，且該處內(nèi)凹區(qū)邊緣環(huán)狀裂縫寬度較其他環(huán)狀裂縫寬度為大，其裂縫上部分混凝土剝落。這可能是因為爆炸沖擊波在水中以球面波的形式傳播，沖擊波將最先抵達2#墻面中間位置，此時該區(qū)域混凝土在沖擊波的沖剪作用下將首先破壞，而后沖擊波陸續(xù)抵達2#墻面其余部分以及1#、3#墻面。由于沖擊波在傳播過程中隨著傳播距離的增加而衰減，因此1#、3#墻面破壞程度輕于2#墻面，而2#墻面中間區(qū)域破壞程度最大。迎爆面除了產(chǎn)生環(huán)狀裂縫，在面板下沿與封倉板下沿對應位置還各出現(xiàn)一條橫向貫通裂縫。此外，由于沖擊波在迎爆面反射后形成的強拉伸波，在強拉伸波的作用下靠近迎爆面外表面的混凝土內(nèi)粗骨料被拔出，使迎爆面形成許多小坑洞。

圖4 水下爆炸碼頭毀傷模式Fig.4 Damage mode of the wharf under explosion in water

碼頭側面與面板破壞情況均輕于迎爆面。兩側墻面與面板的破壞模式基本相同，均以裂縫發(fā)展為主。其中側墻面破壞主要發(fā)生在4#、10#墻面。以4#墻面為例，管溝下方出現(xiàn)一條斜裂縫，斜裂縫向上擴展至面板，向下擴展至封倉板下沿。在封倉板下沿靠近迎爆面附近還出現(xiàn)一條橫向裂縫并向背爆面擴展。此外，整個側墻面仍可見由強拉伸波拔出表面粗骨料造成的小坑洞。在碼頭面板上可見兩條明顯的通長橫向裂縫，其中遠離迎爆面的一條在碼頭兩側與兩側墻面的斜裂縫相連貫通。

碼頭背爆面幾乎無破壞，只在墻面出現(xiàn)一些同樣由強拉伸波拔出表面粗骨料造成的小坑洞。

2.3 結構內(nèi)爆炸

結構內(nèi)部爆炸荷載下碼頭毀傷模式如圖5所示。碼頭上部結構面板中間混凝土大面積被掀翻，形成一“口”字型洞口。洞口上下兩沿與上部倉格邊緣平齊，左右各擴展至距碼頭側墻約50 cm位置。面板洞口對應位置處上部倉格內(nèi)沙體被拋出散落在洞口兩側。上部倉格下方兩豎向內(nèi)隔墻之間的封倉板亦被掀翻，漏出下部中間兩倉格內(nèi)沙體，可觀察到有水流入沙體內(nèi)。

圖5 結構內(nèi)部爆炸碼頭毀傷模式Fig.5 Damage mode of the wharf under explosion in structure

碼頭各外墻外凸明顯，破壞模式均以裂縫擴展為主。1#墻面封倉板角部對應位置處混凝土有少許剝落并產(chǎn)生一橫一斜兩條明顯的裂縫。2#墻面管溝中間對應位置處混凝土部分剝落并產(chǎn)生一條明顯的橫向裂縫，沿橫向裂縫向下發(fā)展出多條豎向細小裂紋。3#墻面右側邊緣中間偏上位置有一較短但明顯的斜裂縫。在碼頭該側外墻上還可觀察到面板下沿有一條橫向通長裂縫產(chǎn)生。碼頭側向4#、5#墻面上在管溝下方位置出現(xiàn)兩條明顯的對稱斜裂縫， 4#墻面斜裂縫寬度明顯大于5#墻面，且4#墻面斜裂縫上部分混凝土剝落并露筋。7#墻面破壞情況類似于2#墻面但程度較輕，9#、10#墻面破壞現(xiàn)象與5#、4#墻面相同。

剖開碼頭后發(fā)現(xiàn)，原炸藥所在倉格內(nèi)隔墻變形嚴重，在球面爆炸波的沖擊下三面內(nèi)隔墻嚴重外凸。其中，更靠近炸藥的橫向內(nèi)隔墻破壞最為嚴重，混凝土大部分炸碎剝落，鋼筋外凸變形；相比之下，兩面豎向內(nèi)隔墻破壞情況較輕，混凝土小部分剝落，但未剝落混凝土內(nèi)外表面產(chǎn)生大量龜裂裂縫。

3 毀傷模式對比與搶修建議

實驗結果表明，不同荷載條件下碼頭的毀傷模式差別較大。在1 kg TNT爆炸當量下，空中爆炸荷載的毀傷模式主要體現(xiàn)為碼頭面板局部破壞，碼頭結構整體完好無損，表面無任何裂縫產(chǎn)生。水下爆炸荷載的毀傷模式主要體現(xiàn)為碼頭迎爆面及相近區(qū)域裂縫的大量擴展，尤其是迎爆面碼頭外墻的內(nèi)凹破壞，碼頭背爆面基本完好無損。結構內(nèi)爆炸荷載的毀傷模式主要體現(xiàn)為沉箱倉格的嚴重變形破壞以及碼頭面板的完全破壞失效，同時伴隨著外墻面大量裂縫的生成。因此，橫向比較毀傷程度，在炸藥當量相同的情況下碼頭毀傷程度由輕至重依次為空中爆炸荷載、水下爆炸荷載和結構內(nèi)爆炸荷載。

針對不同的毀傷模式，可以采用不同的搶修策略。當碼頭面板輕度毀傷時(即本文空中爆炸荷載下的毀傷模式)，可以采用混凝土灌漿澆筑的方式從而較容易地快速修復恢復碼頭正常使用。當碼頭一側外墻受損且出現(xiàn)大量裂縫區(qū)域時(即本文水下爆炸荷載下的毀傷模式)，在對迎爆面毀傷區(qū)域進行加固的同時可以正常使用碼頭的另一側，也即這種毀傷模式下碼頭功能具有一定的魯棒性。當碼頭內(nèi)沉箱倉格嚴重變形且面板嚴重破壞時(即本文結構內(nèi)爆炸荷載下的毀傷模式)，碼頭雖未完全破壞失效，但其主要受力構件面板和內(nèi)隔墻已失去承載能力，對于這種毀傷模式的搶修較為困難，應盡量避免。

需要說明的是，不同比例爆距(爆炸當量)及多次爆炸荷載均是爆炸荷載下碼頭毀傷效應的影響因素，由于爆炸實驗成本高、難度大，建議采用數(shù)值模擬的方法進行碼頭毀傷效應相關影響因素研究，本文的實驗結果可以作為數(shù)值模擬的參考用于開展相關數(shù)值模擬研究工作。

4 結 論

通過對沉箱重力式碼頭模型在空中爆炸、水下爆炸以及結構內(nèi)部爆炸3種爆炸荷載下的毀傷效應進行實驗研究，得出以下結論：(1)得到了1 kg TNT當量各爆炸荷載下沉箱重力式碼頭模型的毀傷模式。其中空中爆炸荷載下碼頭僅面板破壞；水下爆炸荷載下碼頭迎爆面墻面明顯內(nèi)凹，且在迎爆面及相近區(qū)域產(chǎn)生大量裂縫；結構內(nèi)部爆炸荷載下碼頭面板大部分被掀飛，沉箱倉格內(nèi)隔墻嚴重變形；(2)在炸藥當量相同的情況下，空中爆炸荷載下碼頭模型毀傷程度最小，結構內(nèi)爆炸荷載下碼頭模型毀傷程度最大；針對試驗得到的沉箱重力式碼頭在不同爆炸荷載下的毀傷模式給出了針對性搶修策略建議；(3)本文中的試驗結果可以作為實際沉箱重力式碼頭爆炸毀傷效應數(shù)值模擬研究的參考用以指導相關數(shù)值模擬研究工作。