內爆作用下門式輕鋼庫房梁柱的超壓分布特征分析

何小涌，孫 濤，孟 妍，田鎮華

(陸軍勤務學院，重慶 401311)

0 前 言

門式剛架輕型房屋鋼結構具有結構體系受力簡單、傳力路徑明確、構件加工快捷、施工周期短、結構布置靈活、經濟效應明顯等特點，被廣泛應用于廠房、超市、展覽館、庫房等工業與民用建筑[1]。內爆壓力由于受到結構內部空間的影響，沖擊波存在反射與匯聚效應，因此與外爆沖擊波的特性存在著較大的差異。目前已有諸多學者[2-5]對箱室、艙室、工房、管廊等研究了內爆的沖擊波特性、結構失效模式及損傷變形，結果都表明分析對象的幾何形狀特征對沖擊波的傳播特性、結構失效模式及損傷程度存在較大的影響。門式剛架輕型房屋鋼結構相對于其他類型的結構具有自己的幾何形狀特征，研究內爆沖擊波的傳播特性及分布規律對結構抗爆設計與評估具有重要的現實意義。本文以某12 m跨門式剛架結構為例分析特定爆炸位置下梁柱關鍵構件的超壓分布特征。

1 數值模型

1.1 結構簡介

某12 m跨門式剛架結構尺寸參數為跨度12 m，檐口高度5.4 m，柱距6 m。該結構的屋面荷載設計值為0.75 kN/m2，基本風壓為0.5 kN/m2，梁柱為高頻焊接H型鋼截面，尺寸為LH200×150×4.5×6，其平面與山墻布置分別如圖1～2所示[6]。圖1中，當結構長度不超過45 m時只需要在兩端開間設置橫向水平支撐，當結構長度大于45 m時需要在中部開間增設橫向水平支撐。

圖1 平面布置示意圖(單位：mm)

圖2 山墻面布置示意圖(單位：mm)

1.2 爆源與超壓監測點設置

圖3給出了爆源與超壓監測點的設置，為模擬固定位置堆放的易爆物爆炸后門式輕鋼庫房梁柱關鍵構件的超壓分布規律，在固定炸藥當量為6.33 kg TNT的前提下，距左柱3 m，高度1.5 m處設置炸藥埋設點D1。采用LS-DYNA分析埋設點D1爆炸后在梁柱構件邊緣產生的超壓分布規律，在梁柱關鍵構件的邊緣各設置4個超壓監測點以研究超壓時程曲線的變化規律。

圖3 爆源與監測點分布

1.3 材料模型

分析模型包括炸藥、空氣兩種材料介質，門式剛架的梁柱邊緣則考慮為剛性界面。空氣材料選用理想氣體模型，其模型參數與狀態方程參數分別見表1～2[7]。炸藥選擇TNT高爆炸藥模型，采用JWL狀態方程來描述，該方程給出了爆炸產物化學能所產生壓力的數學表達式：

(1)

式中，E0為單位體積炸藥的內能；V為相對體積；A、B、R1、R2、ω為炸藥的特性參數，TNT炸藥的特性參數見表3[7]。

表1 *MAT_NULL模型參數

表2 *EOS_IDEAL_GAS狀態方程參數

表3 TNT炸藥特性參數

1.4 簡化處理

采用數值分析爆炸沖擊波產生的超壓分布規律需要劃分較細的網格，而門式剛架庫房結構在空間上具有較大的長度與寬度，如要模擬真實三維結構的超壓分布則計算量會超過普通計算機甚至工作站的極限。本研究的實際模型是沿著門式剛架長度堆滿易爆物，但是易爆物在寬度與高度方向的位置不同，考慮到長度一般遠大于寬度和高度，且主要研究梁柱關鍵構件的超壓分布，因此可以簡化為二維模型，如圖4所示。

圖4 模型的簡化示意

2 結果與分析

2.1 左立柱超壓特征

圖5給出了左柱測點G1至G4的超壓時程曲線。位于柱腳處的監測點G1的超壓時程曲線具有多次超壓峰值，但第一次超壓峰值遠大于之后的超壓峰值，該時刻(0.837 ms)的超壓云圖如圖6所示，第一次超壓峰值是地面與立柱反射的沖擊波沿著柱腳方向傳播并相遇產生匯聚導致的結果。測點G2與G3在立柱的三分點處，且超壓時程曲線較為相似，具有多個超壓峰值。測點G4位于梁柱交接處，盡管該處到爆源D1的距離與G2、G3到爆源D1的距離相比更遠，但是從曲線可以發現測點G4的超壓峰值比測點G2、G3的超壓峰值大很多。圖7給出了測點G4出現第一次超壓峰值時刻(1.292 ms)的超壓云圖，可以發現梁柱交接處的超壓峰值是由梁柱反射的沖擊波向節點處傳播并相遇產生匯聚導致的結果，與測點G1第一超壓峰值的形成機理相似。

此外，測點G2至G4的超壓時程曲線都有多個超壓峰值且逐漸衰減，但前2次或前3次的超壓峰值具有同樣的數量級，能否忽略第二次及以后的超壓峰值對結構的影響還有待進一步研究，尤其是如果第一次超壓峰值已經導致構件的彎曲或剪切損傷后，后繼超壓峰值能夠繼續對構件造成損傷具有較大的概率。

圖5 測點G1至G4的超壓時程曲線

圖6 測點G1第一次超壓峰值時刻的超壓云圖

圖7 測點G4第一次超壓峰值時刻的超壓云圖

2.2 左屋梁超壓特征

圖8給出了左屋梁各測點的超壓時程曲線。測點G5至G7的超壓曲線都表現相似的規律，都具有多次超壓峰值且峰值逐漸衰減，但是前2次甚至是前3次的峰值差距不大，因此對構件可能造成累積的損傷。從圖8中還可發現，雖然測點G4至G7到爆源的距離相差不大，但是G5至G7的超壓峰值與G4的超壓峰值相差較大，主要原因在于G5至G7處雖然有沖擊波的反射，但沒有G4的條件使得反射后的沖擊波再次進行匯聚。

圖8 測點G4至G7的超壓時程曲線

2.3 右屋梁超壓特征

圖9給出了右側屋梁各測點的超壓時程曲線。測點G7至G10所表現出的規律與測點G4至G7所表現出的規律相似，各測點都具有多個超壓峰值且逐漸減小，但是前3次或前4次的超壓峰值在同一個數量級。如果第一次超壓峰值能夠對構件造成較大的影響，那么后繼超壓峰值對構件的影響將不能忽略，尤其是測點G10所表現出的前2次超壓幾乎相近的情況。此外，從圖9可以發現測點G10的前2次超壓峰值遠大于測點G7至G9的超壓峰值，盡管測點G10離爆源最遠，但經過梁柱反射后的沖擊波向角部傳遞時還會產生匯聚,該時刻(2.542 ms)超壓云圖如圖10所示。

圖9 測點G7至G10的超壓時程曲線

圖10 測點G10第一次超壓峰值時刻的超壓云圖

2.4 右立柱超壓特征

圖11給出了右立柱各測點的超壓時程曲線。測點G10至G13的超壓曲線所表現出的規律與測點G7至G10的超壓規律較為相似，具有多個超壓峰值且總體趨勢上峰值逐漸減小。圖11中測點G12的曲線較為特殊，第2次超壓峰值居然略大于第1次超壓峰值，應該值得后續的深入研究。圖12給出了測點G13第1次超壓峰值時刻(2.318 ms)的超壓云圖，可以看出由于地面與立柱形成了直角的幾何特征，沖擊波在此處反射與匯聚形成了第1次超壓峰值且為最大的超壓峰值。

圖11 測點G10至G13的超壓時程曲線

圖12 測點G13第一次超壓峰值時刻的超壓云圖

2.5 梁柱全長超壓峰值比較

從測點G1至G13的超壓時程曲線可以發現梁柱不同部位的超壓峰值各不相同，主要原因有以下兩點：①各測點到爆源的距離不同；②不同位置會存在著沖擊波的發射與匯聚，幾何形狀將會對超壓峰值產生較大的影響。然而，以上研究規律若要應用到工程設計中還有待簡化，目前的工程防爆設計采用統一的超壓施加在構件上使得設計過于簡化且不能反映出結構的形狀特征對超壓峰值的影響。

沿著構件長度繪制出最大超壓峰值可以反映結構的大小與形狀特征的影響，對于工程設計的簡化及改進將具有參考價值。通過加密超壓監測點并提取各點的最大超壓峰值，采用樣條曲線連接各加密監測點的超壓峰值可以得到圖13所示的壁面超壓分布模型且可以發現以下規律。

1)在門剛結構柱腳、柱頂等角點位置處，由于沖擊波的反射與匯聚，超壓峰值比構件中部大很多，在設計或預防時值得注意。

2)沿構件長度存在小區段的超壓峰值急速增長或衰減，大部分區段的超壓峰值相差并不大。為簡化工程設計，可將構件的超壓峰值沿長度劃分區段，將超壓峰值變化取為線性變化或水平不變，這樣可以避免結構內力分析時各點超壓不同帶來的繁瑣的荷載輸入。

3)圖13僅為固定爆點D1爆炸后所得到的超壓峰值壁面分布模型，改變爆點位置將會得到不同的分布模型，壁面超壓分布模型更適合評估特定堆放的易爆物爆炸對結構的影響。由此得到不同爆點位置對結構的影響規律不僅有利于指導如何合理地堆放易爆物，還可在已有堆放方式的情況下采取合理措施防止爆炸產生較大的危害作用。

圖13 壁面超壓分布模型(P0=1.0GPa)

3 結 論

為模擬固定位置堆放的易爆物在意外爆炸后沖擊波對門式輕鋼庫房的影響，以某12 m跨門式剛架結構為例，分析了爆點D1爆炸后沖擊波在梁柱關鍵構件上的超壓分布規律，主要結論如下。

1)在沿庫房長度規律堆放的易爆物的情況下，計算模型可簡化為平面爆炸模型，能大幅縮小計算資源的需求。

2)由于門剛結構特殊的幾何特征，沖擊波會在柱腳區段及柱頂區段等角部位置反射與匯聚，超壓峰值相比梁柱構件中部區段有較大的提升，在工程設計或采取預防措施時值得關注。

3)如需進一步分析結構構件在超壓下的響應，可先繪制壁面超壓分布模型，依據分布規律將超壓分區段簡化為線性增強或衰減段以及水平不變段。

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