高延性混凝土(HDC)在抗爆間室中的防護效果評估

杜忠，胡福

（西安航天神舟建筑設計院有限公司，西安710000）

1 應用背景

高延性混凝土（HDC）是一種具有高強度、高韌性、高抗裂性能和高耐損傷能力的特種混凝土，其變形能力可達普通混凝土的200 倍，也被稱為“可彎曲混凝土”。

抗爆間室系指火工品生產過程中有爆炸危險的工序工房（設計藥量一般不超過100kg），通過有效的防護將爆炸破壞影響控制在工房局部范圍內，通常采用鋼筋混凝土結構。

本文的研究內容是利用高延性混凝土的彎曲韌性和抗折強度，在爆炸沖擊波作用下，通過防護體的延性變形吸收沖擊波沖量，以避免防護墻體脆性倒塌、破壞。

2 抗爆間室結構設計原則

抗爆間室發生爆炸時，對房間外的人員、設備以及危險品應能起到保護作用?？贡g室外通常設置抗爆屏院，作為抗爆間室泄爆面外設置的屏障，阻止爆炸沖擊波或爆炸破片向四周擴散[1]。典型的抗爆間室、抗爆屏院平面如圖1 所示。

圖1 抗爆間室、抗爆屏院平面圖

抗爆間室結構在爆炸沖擊波作用下，從開始受力到最大變形時間以毫秒計，在這種快速加載的條件下，混凝土及鋼材的強度均可提高[2]。根據GB 50097—2013《抗爆間室結構設計規范》[3]，混凝土、鋼筋在動荷載和靜荷載的同時作用或動荷載的單獨作用下，設計藥量與爆心的比應滿足：

式中，Ra為爆心與計算墻（板）面的垂直距離；Q為設計藥量；

L為房間凈長；H為房間凈高。

當采用配有連續波浪形斜拉系筋的鋼筋混凝土墻（板）及在2 個邊墻（板）的條形基礎間設拉梁或在地面下設整塊底板措施時，則：

根據相似理論，墻體距離炸藥爆心越近，墻體受到的局部沖擊波越大，距離過小的爆心距離會產生抗爆墻的局部震塌和飛散破壞。為防止這種破壞發生，須適當考慮爆心間距和抗爆墻厚度，獲得較好的房間使用空間[4，5]。

背爆面的抗爆炸震塌破壞厚度驗算，爆心位置與所計算的墻（板）面的垂直距離應滿足式（3）的要求：

式中，Q0為設計折合當量；h為墻體凈高。

3 抗爆間室計算爆心布置

當工藝專業不能準確確定爆心位置時，結構專業可以根據對抗爆間室不同部位沖量最大原則布置爆心位置，并計算各構件配筋。圖2 給出了相同藥量、相同房間大小條件下爆心與中墻間距對抗爆間室各構件的平均沖量變化，對于中墻，爆心距離大，平均沖量越大。對于邊墻及屋面板，爆心距中墻越遠，平均沖量越小。

圖2 10kg 抗爆間室爆心位置與平均沖量關系

4 高延性混凝土防護墻建模計算

4.1 參數輸入

采用有限元建立抗爆墻模型，模型尺寸為2000mm×2000mm×200mm，抗爆墻材料為高延性混凝土，材料的彈性模量為10 294MPa，泊松比為0.14。假設支撐鋼架結構和混凝土底座有足夠的剛強度，則抗爆墻與支撐結構的接觸面為固定約束。建立幾何模型如圖3 所示。

圖3 抗爆墻支撐示意圖

4.2 模型計算

對模型進行網格劃分，選用精度更高的六面體網格單元，網格劃分結束后進行網格檢查，確認網格精度滿足計算要求，網格單元數量為106 680。根據以上參數對模型進行有限元計算，經過多次試算和調整得到：當加載在抗爆墻受力面的壓強達到73.45N/mm2時，抗爆墻的最大變形達到120mm，最大變形位于抗爆墻中心點。

4.3 計算結果

經多組建模計算，計算結果總結對比如表1 所示。

表1 防爆墻受力與變形對比

5 結語

本文將高延性混凝土替代普通混凝土，利用HDC 的彎曲韌性和抗折強度，在爆炸沖擊波沖量作用下，通過有限元分析多組建模顯示的數據計算結果，體現了高延性混凝土墻體優異的塑性變形抗沖擊波性能，結構安全裕度大為提升，為今后抗爆間室性能化設計提供了借鑒。