POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板抗爆性能

楊光瑞, 汪維, 楊建超, 汪劍輝, 王幸

(1.寧波大學 沖擊與安全工程教育部重點實驗室, 浙江 寧波 315211;2.軍事科學院國防工程研究院, 河南 洛陽 471023)

0 引言

近年來,恐怖襲擊和爆炸事件時常發生,造成建筑物的嚴重破壞和人民生命財產的巨大損失[1]。例如,2011年3月日本福島第一核電站、第二核電站的核泄漏事件,2018年11月我國河北省危險化學品爆炸事故,2020年10月黎巴嫩貝魯特硝酸銨爆炸事件等,都對當地建筑物產生了嚴重破壞。墻體作為建筑物的主要受力構件,在各類爆炸中極容易受到爆炸載荷的沖擊破壞。鋼筋混凝土是墻體的主要組成部分,但由于其材料性能的不足,限制了各種工程的建設[2]。因此,提高建筑物墻體的抗爆性能一直是當前防護工程研究的熱點[3]。

目前,國內外學者對聚脲涂覆鋼板混凝土剪力墻開展了大量研究工作。Dai等[4]給出了聚脲涂覆薄鋼板的試驗結果。通過改變涂層位置(前、后)和涂層厚度的方式,發現聚脲涂層能減輕鋼板的變形且前涂層對板材變形的緩解效果更好。 Samiee等[5]針對聚脲在爆炸載荷下鋼板性能影響做了數值模擬。王喜夢等[6]對鋼板/聚脲復合結構進行數值仿真,發現背爆面噴涂聚脲層在抗爆過程中存在二次崩落現象,其動能在聚脲層總吸能中占主導地位。王琪等[7]通過爆炸試驗分析聚脲涂覆鋼復合結構的抗爆性能,研究表明,等面密度條件下,迎爆面涂覆聚脲涂層不能提高復合結構的抗爆性能。 Amini等[8]重點研究了聚脲相對于載荷方向的相對位置、聚脲層厚度和聚脲-鋼界面結合強度的影響。Rotariu等[9]進行了聚脲層對氣流加載金屬板性能影響的試驗研究,發現聚脲涂層與板的永久變形量之間有很強的關聯性。但是,目前卻鮮有針對聚脲涂覆波紋鋼混凝土剪力墻的抗爆性能研究。

波紋鋼是基于平面鋼發展而來的一種具有優越抗剪性能的結構構件[10-11]。相關文獻[12-14]顯示,與平面鋼相比,波紋鋼能夠提供較大的平面外剛度,有利于增強結構的抗彎強度和剛度。本文對波紋鋼加固鋼筋混凝土板和POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板進行接觸爆炸試驗,對比分析了POZD涂覆波紋鋼的抗爆性能及破壞機理。利用LS-DYNA軟件進行有限元模擬,與試驗進行驗證,并研究了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板在不同裝藥量下的破壞特征和破壞模式。

1 試驗概況

結合工程實際應用情況,對2種波紋鋼加固鋼筋混凝土板展開了接觸爆炸試驗。2種試件的基體為鋼筋混凝土板,板厚315 mm,平面尺寸2 000 mm×2 000 mm,采用HRB400鋼筋φ14 mm @200 mm×200 mm雙層布置,鋼筋保護層15 mm,混凝土強度等級C40,28 d后的抗壓強度為43.6 MPa。試件背爆面呈雙向余弦三維波紋狀,波高165 mm,波峰距離300 mm。為了對比分析POZD涂層對抗爆性能的影響,在試件1背爆面內襯3 mm厚的波紋鋼,試件2背爆面內襯3 mm厚的波紋鋼并涂覆12 mm厚的POZD涂層。試件示意圖如圖1所示,試件幾何尺寸和配筋方式如圖2所示。POZD材料是在聚脲化合物高分子材料基礎上研發出的一種聚合物高分子材料,其結構和力學性能如文獻[15-16]所示。

圖1 模型結構示意圖Fig.1 Diagram of model structure

圖2 試件幾何尺寸和配筋方式Fig.2 Dimensions and reinforcement layout of specimen

采用一定當量的TNT炸藥以接觸爆炸的形式進行試驗,現場布置如圖3所示。將試驗模型安置于鋼制支架上,模型底面的波峰與鋼支架的橫梁相切,并利用G型夾這種近似固支的方式將模型的 4個邊界都固定在鋼架上。模型底部懸空用來模擬結構的空置狀態。將TNT炸藥放在鋼筋混凝土板上表面的中心實施接觸爆炸,通過觀察板底面破壞狀況來判斷其抗爆性能。試驗工況如表1所示。

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Diagram of test device

表1 試驗工況

單塊TNT炸藥的質量為200 g,大小為長 100 mm×寬50 mm×高25 mm。2次爆炸所使用的裝藥量均為200 g的倍數,以免切割單塊TNT炸藥,保證爆炸試驗的安全性。將透明膠帶將TNT炸藥塊固定成近似立方體的爆炸源并放置在試驗模型上,如圖4所示。

圖4 TNT的形狀和尺寸Fig.4 Shape and size of TNT

2 數值模型

2.1 模型和網格劃分

結合試件尺寸,利用ANSYS/LS-DYNA軟件完成實體建模、材料定義、接觸定義、網格劃分和邊界條件定義,如圖5所示。其中混凝土、波紋鋼板、POZD涂層材料、空氣和炸藥都采用三維實體單元,鋼筋采用梁單元,炸藥和空氣采用多物質任意拉格朗日-歐拉(ALE)法建模。考慮到混凝土板變形區域的大小和炸藥爆炸后所產生的沖擊波范圍,通過關鍵字BOUNDARY_NON_REFLECTING給空氣域施加無反射邊界,以確保壓力不會反射到模型表面。最后對混凝土板的四周x軸、y軸、z軸方向施加位移邊界約束。為確保數值計算的精度,采用局部網格加密的方法進行分析,如圖6所示。模型中心 1 000 mm×1 000 mm×315 mm部分采用尺寸10 mm的網格,鋼筋、TNT炸藥均采用尺寸10 mm的網格,為了觀察到背爆面波紋鋼和POZD涂層的變化,將其網格的長、寬尺寸均設為10 mm,沿厚度方向的網格長度設為1 mm,其余部分皆采用尺寸20 mm×20 mm 的網格。空氣域的尺寸為長2 200 mm×寬 2 200 mm×高95 mm,在靠近中心部分長900 mm×寬900 mm×高48 mm處采用尺寸10 mm的網格,靠近邊界處的網格采用20 mm的尺寸。有限元網格界都具有收斂性。

圖5 三維模型結構簡圖Fig.5 Diagram of three-dimensional model structure

圖6 1/4模型網格劃分圖Fig.6 Diagram of 1/4 model meshing

2.2 材料模型和參數

POZD材料用LS-DYNA軟件中的MAT_PIECEWISE _LINEAR_PLASTICITY材料模型表示,該模型是多線段彈塑性材料模型,可以定義斷裂應變值,并且可以輸入不同應變率下的應力。基于美國空軍實驗室對聚脲在不同應變率下的165次測量[17],使用特殊的應力-應變曲線來定義POZD材料的材料性能,如圖7所示。本文將POZD材料的拉伸失效應變定義為0.85,即當POZD應變達到0.85(拉伸試驗測得)時刪除POZD單元[18-19],具體參數如表2所示。

圖7 不同應變率下聚脲的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of polyurea at various strain rates

表2 POZD材料參數

混凝土采用CONCRETE_DAMAGE_Rel3材料模型,參數選自文獻[20],如表3所示。

表3 混凝土材料參數

Q235波紋鋼和HRB400鋼筋采用MAT_PLASTIC_ KINNEMATIC材料模型表示,應變率通過Cowper-Symonds模型來描述,參數選自文獻[21],如表4 和表5所示。

表4 波紋鋼材料參數

表5 鋼筋材料參數

TNT炸藥本構模型采用高能炸藥模型材料表示,用JWL狀態方程描述,參數如表6所示。空氣視作無黏性理想氣體,其狀態方程用NULL模型和LINEAR_POLYNOMIAL多項式表示,參數如表7所示,詳見文獻[22-23]。

表6 TNT炸藥材料參數

表7 空氣材料參數

3 試驗與數值結果分析

混凝土在爆炸沖擊載荷作用下,迎爆面出現爆坑,背爆面毀傷剝落。隨著裝藥量的增加,迎爆面的爆坑直徑和背爆面的剝落直徑均增大。當藥量達到一定量時,在爆炸產生的爆轟產物和沖擊波共同作用下,混凝土板會發生沖切穿孔破壞,形成沖切道。在數值模擬中,將迎爆面爆坑的最大直徑定義為爆坑直徑,沖切道的最小直徑定義為沖切道直徑。

3.1 波紋鋼加固鋼筋混凝土板

圖8為波紋鋼加固鋼筋混凝土板(試件STB)試驗與數值結果對比圖,具體數據如表8所示。由于混凝土介質的抗拉強度遠低于其抗壓強度,在TNT炸藥的沖擊載荷作用下,試件STB混凝土部分發生了沖切破壞,沖切道直徑141 mm,如圖8(a)所示。試件STB迎爆面產生一個近似圓形的爆坑,爆坑直徑300 mm。透過爆坑可以看到鋼筋產生了輕微的扭曲變形但是并未發生斷裂。背爆面大量混凝土碎片掉落,但由于鋼板的約束,并未出現混凝土飛濺的現象。從圖8(c)中可以看到,波紋鋼板破損嚴重,在接近中心的部分發生嚴重變形,形成一個橢圓形鼓包,橢圓長徑750 mm、短徑300 mm,鼓包高度 105 mm,紋鋼板與混凝土基體脫離。

圖8 STB試件試驗與數值結果對比Fig.8 Comparison of experimental and numerical results of STB specimen

表8 STB試件試驗與數值結果

由圖8(b)可知,數值模型迎爆面產生直徑280 mm的爆坑,與試驗誤差為6.7%;沖切道直徑136 mm,與試驗誤差為3.6%。從圖8(d)中可以觀察到,數值模型背爆面形成橢圓形鼓包,鼓包長徑742 mm,短徑289 mm,鼓包高度130 mm,與試驗誤差為7.9%。數值計算結果與試驗結果基本一致,可以合理模擬結構的損傷情況。經分析,造成數值結果和試驗結果有誤差的原因可能是數值模擬采用了理想的固定約束條件和確定的爆心高度;而在試驗中,往往由于固定約束的偏差和起爆位置的不準確性等客觀因素,導致數值模擬和試驗結果產生誤差。

3.2 POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板

圖9為POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板(試件SPB)試驗與數值結果對比圖,具體數據如表9 所示。從圖9(a)中可以看到,試件SPB迎爆面產生爆坑,爆坑直徑323 mm。混凝土部分被貫穿破壞,形成直徑約162 mm的沖切道,損壞的混凝土從正面迸射出來,散落在試件附近。鋼筋在混凝土板中顯現,其基本形狀完好,未發生較大程度的扭曲變形。如圖9(c)所示,試件SPB的背爆面形成橢圓形鼓包,未發生破裂,橢圓長徑963 mm、短徑352 mm,鼓包高度91 mm,且波紋鋼板沒有與混凝土板分離。

圖9 SPB試件試驗與數值結果對比Fig.9 Comparison of experimental and numerical results of SPB specimen

表9 SPB試件試驗與數值結果

由圖9(b)可知,數值模型迎爆面產生直徑 358 mm 的爆坑,與試驗測得的323 mm誤差13.0%;沖切道直徑186 mm,與試驗測得的162 mm誤差14.8%。從圖9(d)中可以觀察到,數值模型背爆面形成橢圓形鼓包,鼓包長徑997 mm、短徑 376 mm,鼓包高度96 mm,與試驗誤差為5.3%。數值計算的結果與實驗數據之間的誤差較小,在計算可接受的范圍內。

3.3 對比分析及破壞機理

為對比驗證試件STB和試件SPB的抗爆性能優劣,對試件STB在4 000 g TNT炸藥接觸爆炸下的動態響應進行數值模擬,如圖10所示。從圖10(a)中可以看到,在爆炸沖擊作用下,STB試件的迎爆面出現了直徑約為361 mm的爆坑,混凝土部分形成直徑約191 mm的沖切道;試件背爆面波紋鋼板被撕裂,整個結構被貫穿破壞,如圖10(b)所示。整理歸納試件STB和試件SPB的毀傷特征數據,并進行分析對比,結果如表10所示。在4 000 g TNT炸藥的沖擊載荷作用下,試件STB迎爆面產生直徑361 mm 的爆坑和直徑191 mm的沖切道,試件SPB迎爆面產生直徑358 mm的爆坑和直徑186 mm的沖切道,相差并不明顯。STB整個試件被貫穿破壞,失去了繼續承載的能力;SPB試件卻保持了完整性,被POZD涂層涂覆的波紋鋼僅發生了變形,并未發生破裂,仍具有繼續承載的能力。上述現象說明,在波紋鋼板上噴涂POZD涂層可以有效提高試件的抗爆性能。

圖10 STB試件數值結果(4 000 g TNT)Fig.10 Numerical results of STB specimen (4 000 g TNT)

表10 試件損傷分析

從能量發散和能量吸收的角度看,當波紋鋼加固鋼筋混凝土板沒有涂覆POZD涂層材料時,由于混凝土的波阻抗小于波紋鋼板的波阻抗,爆炸載荷產生的應力沖擊波有一部分被反射和透射,如圖11所示。當POZD涂層材料涂覆波紋鋼板后,爆炸沖擊將分別在混凝土和波紋鋼板的交界面以及波紋鋼板和POZD涂層的交界面引起反射和透射,如圖12所示。根據應力波的透射原理[24],當爆炸沖擊波穿透鋼筋混凝土板抵達波紋鋼板和POZD涂層后,波紋鋼會改變應力波的傳播方向,將大多數應力波集中在波峰附近,減少了混凝土板其他位置的應力集中。而波峰處的混凝土板較厚,可以承受強度更高的應力波。同時,POZD涂層具備較大的延展率和塑性變形的能力,在高應變率的強動載作用下,仍然能夠保持大變形、高塑性特性。在鋼筋混凝土板發生貫穿破壞后,能有效吸收飛濺的混凝土碎塊的能量,起到較好的防爆效果,大大增強了鋼筋混凝土板的抗爆性能。

圖11 波紋鋼加固RC板應力波傳播圖Fig.11 Diagram of stress wave propagation of RC slabs strengthened with corrugated Steel

圖12 POZD涂覆波紋鋼加固RC板應力波傳播圖Fig.12 Diagram of stress wave propagation of RC slabs strengthened with POZD coated corrugated Steel

4 破壞模式

為了研究POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板在不同裝藥量下的破壞模式,在保持其他參數不變的情況下(波紋鋼板厚3 mm、POZD涂層厚12 mm),對試件裝藥量分別為1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg和 6 kg 下的破壞特征進行分析,如圖13所示。由圖13 可見:當裝藥量為1 kg時,裝藥量較小,混凝土板較厚,僅在迎爆面觀察到一個圓錐形的爆坑,正面呈現環狀裂紋,背爆面沒有出現層裂;當裝藥量達到 2 kg 時,迎爆面爆坑面積變大,由于混凝土的抗拉強度較低,背爆面混凝土發生層裂脫落,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;當裝藥量分別達到3 kg、4 kg和 5 kg 時,組合板的混凝土部分被貫穿破壞,正面可以觀察到明顯的環狀裂紋,背爆面形成一個高高隆起的橢圓形鼓包,且鼓包面積和鼓包高度隨著裝藥量的增加而增加,鼓包的形成主要是在爆炸沖擊波作用下POZD涂覆的波紋鋼從基體板脫離并產生了較大的塑性變形所致;當裝藥量達到6 kg時,整個結構被炸藥產生的沖擊波撕裂,裂紋由沖切道向四周擴散。

圖13 不同裝藥量下的毀傷圖Fig.13 Diagram of damage under different charge masses

Ohkubo等[25]將接觸爆炸下鋼筋混凝土板的破壞模式分為三個等級:開坑、層裂和穿孔。然而,在不同程度的剝落損傷下,通常會出現不同的破壞模式,應加以區分。本文在此基礎上,結合試驗和數值仿真的結果,劃分了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的破壞等級,如圖14所示。定義如下:1)正面開坑:裝藥量為0～1 000 g時,僅在迎爆面產生爆坑;2)背面層裂和POZD涂覆波紋鋼鼓包:裝藥量為1 000～2 000 g時,迎爆面產生爆坑,混凝土板背爆面產生混凝土碎塊層裂脫落,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;3)爆炸貫穿和POZD涂覆波紋鋼板大面積鼓包:裝藥量為2 000～5 000 g時,混凝土板在爆炸沖擊下發生貫穿破壞,POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;4)爆炸沖切和POZD涂覆波紋鋼穿孔:裝藥量大于5 000 g時,整個結構被貫穿破壞(以上不同破壞等級的裝藥量僅適用于SPB試件)。將上述工況進行統計,統計結果如表11所示。

圖14 破壞等級Fig.14 Damage levels

表11 數值結果

5 結論

本文通過接觸爆炸試驗和數值模擬研究了POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的抗爆性能,并對其破壞特征進行定量分析和比較。得到以下主要結論:

1)接觸爆炸試驗中,波紋鋼加固鋼筋混凝土板的主要破壞特征是混凝土板發生沖切破壞,背爆面波紋鋼變形嚴重,與基體分離;POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的主要破壞特征是混凝土板迎爆面爆炸成坑,背爆面混凝土層裂和POZD涂覆波紋鋼形成橢圓形鼓包。鼓包的形成主要是在爆炸沖擊波作用下POZD涂覆的波紋鋼從基體板脫離并產生了較大的塑性變形所致。

2)在裝藥量增加1 000 g的情況下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板整體性完好,仍具備承載能力;而波紋鋼加固鋼筋混凝土板的波紋鋼與基體分離,失去繼續承載的能力。

3)由數值模擬得到,在4 000 g TNT裝藥量條件下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板整體性完好,仍具備承載能力;而波紋鋼加固鋼筋混凝土板結構被貫穿,失去繼續承載的能力。上述結果說明,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板的抗爆性能遠優于波紋鋼加固鋼筋混凝土板。

4)在POZD涂層材料涂覆波紋鋼板后,爆炸沖擊將分別在混凝土和波紋鋼板的交界面以及波紋鋼板和POZD涂層的交界面引起反射和透射,且POZD材料具有高塑性特性,相比波紋鋼加固鋼筋混凝土板,降低了沖擊波強度,大幅度提高了結構的抗爆性能。

5)接觸爆炸作用下,POZD涂覆波紋鋼加固鋼筋混凝土板呈現4種不同的破壞模式:①結構迎爆面開坑;②結構迎爆面開坑,背爆面混凝土層裂和POZD涂覆波紋鋼鼓包變形;③混凝土板貫穿破壞,POZD涂覆波紋鋼嚴重鼓包變形;④整個結構被貫穿破壞。