鋼筋混凝土板震塌碎片特性試驗

楊建超， 王 幸， 張 強， 孔德鋒， 周松柏

(1.軍事科學院國防工程研究院， 洛陽 471023； 2.上海機電工程研究所， 上海 201109)

鋼筋混凝土結構是軍事工程和民用工程最為常用的結構形式，但是由于混凝土固有的脆性特性(抗拉強度低、韌性差)使得其在受到爆炸、沖擊等強動載作用下，結構極易產生剝離、震塌甚至貫穿等現象，由此產生的混凝土碎片飛入室內將對人員、設備、儀器等造成一定毀傷，嚴重的可以導致人員重傷，設備、儀器損毀或者喪失使用功能。為了準確分析其危害性，需要詳細研究碎片的速度、大小、質量和分布等特性。

中外學者對建筑結構的碎片特性開展了一系列研究，美國早在20世紀50年代就對混凝土碎片特性研究極為重視，建立了偶然爆炸時有約束碎片拋擲速度的計算方法[1]。Erik等[2]通過爆炸試驗并結合高速錄像獲取的碎片云數據，研究分析了炸藥鑲入混凝土板爆炸時，在一定區域上產生碎片的形狀、速度、初始錐角和碎片云密度等，并根據試驗結果分析了碎片初始速度的影響參數。Haberacker等[3]將炸藥埋入磚砌體中，研究爆炸后產生碎片的散布規律、典型碎片大小以及對室內人員的毀傷效應。Shi等[4]研究了無筋磚墻在近距離爆炸時局部破壞產生碎片的速度、大小和散布范圍。何翔等[5]研究了接觸爆炸作用下，磚墻崩落產生碎片的特征。Wu等[6]對120 mm厚鋼筋混凝土板震塌碎片的形狀特征和尺寸大小開展了試驗研究，發現碎片形狀因子服從對數正態分布，碎片尺寸服從Weibull分布。黃小武等[7]通過對高速錄像和碎片篩分析，研究了混凝土立柱爆破時碎片的拋擲規律。張志華等[8]從爆破拆除的研究目的出發，對不同強度混凝土進行了爆炸試驗，根據試驗結果對碎片大小分布進行了分析，表明強度越高，碎片尺寸越趨于均勻。龔順風等[9]通過數值模擬和試驗研究，對內爆作用下鋼筋混凝土板碎片拋射速度進行了分析預測并給出了不同爆炸當量下碎片的拋射速度曲線。由于爆炸效應的復雜性，有限厚鋼筋混凝土板接觸爆炸作用下產生的碎片特性研究還較少，對人員的毀傷效應研究更是缺乏。

現對三種厚度鋼筋混凝土板開展14炮次爆炸試驗，依據試驗結果建立簡單便捷的碎片初始速度計算方法，研究分析碎片的質量大小以及毀傷特性，為工程防護設計和戰斗部破壞威力精準評估提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

結合工程實際，鋼筋混凝土靶板選用80 mm、150 mm和300 mm三種建筑工程中常見樓板厚度開展試驗，鋼筋選用直徑10 mm的HPB300熱軋光圓鋼筋，保護層15 mm，混凝土強度等級C40，配筋形式如圖1(a)所示。由于是有限厚板接觸爆炸的局部破壞性試驗，根據試驗經驗，靶板邊長大于等于5倍裝藥直徑即可忽略邊界效應影響，試驗中裝藥直徑均不大于200 mm，故平面尺寸設計為1 000 mm×1 000 mm，如圖1(b)所示。

圖1 靶板尺寸及配筋形式Fig.1 Target plate size and reinforcement form

1.2 試驗布置

試驗由三硝基甲苯(TNT)炸藥、鋼筋混凝土靶板、鋼制支撐架、高速攝像機、背景幕布、碎片軟回收墊和松木板效應物等組成。試驗時，靶板置于鋼制支撐架上固定牢固，確保TNT爆炸過程中不出現變形或位移等現象。為了獲取靶板震塌時碎片飛散的詳細視圖，在碎片拋射軸線方向側向6 m處布置一臺高速錄像機，拍攝速度設置為5 000幀/s，視場覆蓋碎片從初始拋射到飛行落地全過程，白色背景幕布便于高速錄像捕捉碎片，幕布上畫出300 mm×300 mm網格線，根據高速錄像捕捉到碎片的軌跡、位置等連續畫面后，結合背景幕布網格線、圖片幀數等信息，分析判定碎片速度。開展碎片毀傷效應試驗時，將松木板效應物距離靶板3 m放置，高速錄像拍攝碎片對松木板的毀傷過程。現場布置如圖2所示，俯視示意圖如圖3所示。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Testing arrangement

圖3 俯視圖Fig.3 Top view

1.3 試驗計劃

由于有限厚鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下，難以采用完全解析的方法計算板的受力狀態和破壞模式，因此從工程應用角度考慮，防護工程界以大量實爆試驗數據為基礎，建立了由震塌系數Kz確定的相應破壞類型[10]，系數越小表明破壞越嚴重。根據文獻[11]，鋼筋混凝土板破壞類型與板厚、藥量之間的關系如式(1)所示。

(1)

式(1)中:Kz為震塌系數, m/kg1/3；H為鋼筋混凝土板厚，m；e為裝藥中心高度，m；C為TNT藥量，kg。

根據式(1)，試驗設計時通過調整震塌系數Kz的大小使板分別發生震塌、貫穿和沖切，研究鋼筋混凝土板在三種破壞模式下所產生混凝土碎片的特性。具體試驗計劃如表1所示。

表1 試驗計劃Table 1 Experimental plan

2 試驗結果及分析

2.1 碎片速度特性分析

通過高速錄像拍攝震塌碎片飛行過程，圖4為試驗編號2-4靶板產生碎片的飛行狀態，起爆后，爆轟波迅速作用到靶板上，0.2 ms內，在TNT炸藥的位置處出現了震塌碎片束，初始較為集中，由背景幕布網格線可知，4 ms碎片束飛行了0.3 m，可推算速度為75 m/s；8 ms飛行了0.6 m，速度依然為75 m/s，未出現明顯降速現象，但8 ms后碎片束有縱向增大趨勢，但依然相對集中。飛行1.2 m，即起爆16 ms后，碎片束開始分散，部分單粒碎片因重力原因，向下移動明顯，36 ms時碎片束已經不再集中，56 ms時碎片束已經完全分散僅剩余少許散布的碎片。

圖4 試驗編號2-4碎片視圖Fig.4 Fragment view of Test No.2-4

采用圖像捕捉法獲取了碎片初始速度，誤差為±0.2 ms(1幀畫面)，結果如表2所示。

從碎片產生的初始條件可知，其速度由裝藥量C、裝藥中心到靶板上表面的距離e、靶板厚度H和混凝土板力學特性參數(抗拉強度ft、密度ρ、波速Ct)等參數決定。在不考慮空氣阻力的情況下，對碎片初始速度開展量綱分析，則速度V與各參數的函數關系可表示為

表2 混凝土碎片初始速度Table 2 Initial velocity of concrete fragment

V=f(Hh,ft,ρ,Ct,C)

(2)

式(2)中：C為基本量取裝藥量；ρ為靶板密度；Ct為波速；V為速度，作為導出量；Hh為裝藥中心距靶板下表面的距離；ft為抗拉強度。得到無量綱關系式為

(3)

由于H+e=Hh，根據式(1)，式(3)可變換為

(4)

V=k1jf1(Kz)

(5)

將式(5)中待定系數k1、j合并為一個待定系數k，式(5)可以變換為

V=kf1(Kz)

(6)

根據試驗數據，對式(6)進行擬合，得

(7)

由式(7)可得到混凝土碎片初始速度隨震塌系數的變化曲線如圖5所示，實驗值與計算值的誤差相對較小，表明在0.12≤Kz≤0.32內，應用式(7)預估鋼筋混凝土板震塌碎片的初始速度相對可靠。

圖5 碎片初始速度與震塌系數關系曲線Fig.5 Relationship between initial velocity of fragment and collapse coefficient

2.2 碎片質量特性分析

在爆炸/沖擊的短歷時、高應變率荷載下，震塌面首先出現多個裂紋并快速擴展，進而破碎成多個碎片，呈現動態碎裂特性。關于脆性材料動態碎裂尺度研究方面，Kipp等[12]在假設碎片的局域動能完全轉化為碎片斷裂能的前提下，推導出了一個簡單的碎片尺寸計算公式，依據碎片尺寸及密度可計算質量，但該公式適用于均質金屬材料，對于內部極不均勻的混凝土材料，難以采用嚴格的理論方法計算碎片尺寸及粒徑大小，因此，采用試驗結果統計分析的方法研究了碎片質量特征。

通過對回收的碎片統計分析發現，12例爆炸試驗中未發現60 g以上碎片，產生的單個碎片質量均為60 g以下，其中30 g以下碎片主要為單粒石子，30～60 g碎片以砂石膠結體為主，如圖6所示。當Kz≤0.221時，10 g以下碎片占每發試驗所產生碎片總量的58%以上，50～60 g碎片只占2.09%～12.35%；當Kz≥0.238時，50 g以上碎片占比36%以上，10 g以下碎片占13.11%～25.37%，所有試驗中20～50 g的碎片只占5.81%～30.78%，10～20 g碎片始終處于8.31%～22.22%，如圖7所示。該統計結果表明Kz越小(藥量越大)，鋼筋混凝土板震塌產生的單個小質量碎片越多，尺度越小。

小質量碎片以單粒石子居多的主要原因是混凝土材料由砂、石及水泥膠結體凝固而成，在強動載作用下，將沿著水泥砂漿與石子的微界面處碎裂，如圖8所示，因此水泥砂漿與石子的黏結強度能夠對碎片的大小產生一定影響。

圖6 試驗編號2-3震塌產生的不同質量碎片Fig.6 Fragment of different mass produced by collapsing of Test No.2-3

圖7 碎片質量分布與KzFig.7 Mass distribution of fragment and Kz

圖8 碎片破裂界面Fig.8 Fragment fracture interface

2.3 碎片毀傷特性分析

為研究混凝土碎片對人員的毀傷能力，采用等效模擬物法開展了兩發毀傷效應試驗。根據文獻[1]，人體胸腹部抗碎片侵徹能力同25 mm厚松木板等效，因此，試驗采用25 mm厚松木板作為效應物，平面尺寸1.5 m×1.5 m，距離混凝土靶板3 m。編號4-1毀傷效應試驗TNT藥量及震塌系數如表1所示，高速錄像判讀碎片初始速度為101 m/s，式(7)計算結果為94 m/s，該速度下，大部分碎片無法侵入松木板，如圖9(a)所示，松木板的毀傷主要表現為沖擊傷，表面呈現較多沖擊壓痕，碎片云面密度較大，最密處可達0.23個/cm2，多數碎片在對松木板的撞擊過程中自身出現破裂或粉碎，個別較為堅硬的單粒石子侵入松木板深度2～7 mm[圖9(b)]，通過對等效模擬物的換算，該深度可以刺破人體皮膚，侵入皮下軟組織17.6～61.6 mm深，可見足以傷及人體內臟并產生致命傷，因此個別速度較高單粒石子對人員的損傷不可忽視。編號4-2毀傷效應試驗所產生碎片初始速度采用式(7)計算為63 m/s，該速度下，碎片對松木板的毀傷能力減弱較多，松木板表面壓痕深度普遍不大于3 mm，且碎片云密度約為4-1試驗的1/5，如圖10(a)所示，松木板整體保持完好，未出現彎曲、折斷等現象。該次試驗中有一粒石子嵌入松木板約4 mm深[圖10(b)]。

對編號4-1毀傷試驗的高速錄像分析發現，碎片束(碎片云)對目標物的持續沖擊時間可達200～500 ms，使松木板產生毀傷積累，最終致使松木板貫穿、彎曲、斷裂，如圖11所示，可見足以貫穿人體胸腹部并致人死亡，因此，對碎片束(碎片云)的防護極為重要。

圖9 試驗編號4-1毀傷效應Fig.9 Ddmage effect of Test No.4-1

圖10 試驗編號4-2毀傷效應試驗Fig.10 Damage effect of Test No.4-2

圖11 起爆后不同時刻松木板毀傷狀態Fig.11 Damage state of wood board at different time after initiation

3 結論

(2)有限厚度板(≤300 mm)無論出現何種破壞類型(震塌、貫穿、沖切)，產生的單個碎片質量均以60 g以下為主，其中30 g以下碎片主要為單粒石子，30～60 g碎片以砂石膠結體為主。

(3)鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下的震塌，屬于爆炸近區破壞效應，加載速率更高、沖擊波效應更強，使得碎片尺度越小，即震塌系數Kz越小，單粒碎片尺度越小、質量越小。

(4)混凝土類單粒碎片無法對25 mm厚松木板形成有效貫穿，松木板的毀傷主要表現為沖擊傷，表面呈現較多沖擊壓痕，由于碎片自身強度有限，部分碎片在對目標撞擊過程中容易出現碎裂或者粉碎，從而導致無法繼續侵入，雖然單粒碎片無法侵入松木板，但是其數量較多、單位面積上密度較大，易對人員造成大面積表皮傷。

(5)碎片束(碎片云)對目標物的持續沖擊時間可達200～500 ms，可使目標產生毀傷積累，最終導致目標物嚴重損毀或者人員傷亡。