远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究

殷文骏, 程帅, 刘文祥, 廖真, 马龙, 赵斌, 张德志

兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11) : 4039-4051.

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兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11) : 4039-4051. DOI: 10.12382/bgxb.2023.0960

远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究

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Experimental Study on Dynamic Response of Upper Structure of High-rise Building under Far-field Explosion Shock Wave Loading

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摘要

为研究高层建筑上部结构在远场爆炸冲击波整体加载作用下的动态响应规律,设计并制作1:30缩比的整体高层建筑模型,完成野外化爆试验,获取建筑模型迎爆面冲击波压力曲线和不同高度位置处的位移曲线,结合数值模拟的方法判断试验加载状态,并对建筑模型的破坏形态和实测数据进行分析。研究结果表明:在远场爆炸冲击波作用下,高层建筑框架柱破坏模式以受剪破坏为主,框架梁构件以弯曲破坏为主,同时不同构件间的相互作用对破坏模式也有重要的影响;爆心与建筑物夹角θ≤25°时,迎爆面各处冲击波压力参数相同;当建筑结构整体仍处于弹性变形阶段时,各高度位置前期水平位移变化曲线近似重合,运动周期保持一致,后期由于高度不同,位移峰值有一定差别,与高度近似呈线性增长的关系;建筑模型的变形与破坏主要取决于比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。

Abstract

In order to study the dynamic response of the upper structure of high-rise building under the far-field explosion shock waveloading, 1∶30 scaled models of high-rise building are designed for the field explosion experiment. The shock wave pressure curves and the displacement parameters at different heights of the modelsare obtained through experiment, and the experimental loading state is judged by the numerical simulation method. The damage patterns of the models and the measured data are analyzed. The results show that the failure mode of high-rise building frame column is mainly subjected to shear failureand the frame beam is mainly subjected to bending failureunder the effect of far-field explosion shock wave. In addition, the interaction between different components has an important influence on the failure mode. When the angle between the explosion center and the building is less than or equal to 25°, the pressure parameters of shock wave are the same all over the surface.When the whole structure is still in the elastic deformation stage, the change curves of horizontal displacement in the early stage of each height position approximately coincide with each other, and the motion periodsare consistent.The peak values of the displacement are different in the later stage due to the different heights, which are linear with the heights. The deformation and damage of the building mainly depend on the specific impulse, and are little affected by the peak shock wave pressure.

关键词

高层建筑 / 远场爆炸 / 爆炸冲击波 / 化爆试验 / 位移响应

Key words

high-rise building / far-field explosion / explosive shock wave / chemical explosion test / displacement response

引用本文

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殷文骏 , 程帅 , 刘文祥 , 廖真 , 马龙 , 赵斌 , 张德志. 远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究. 兵工学报. 2024, 45(11): 4039-4051 https://doi.org/10.12382/bgxb.2023.0960
YIN Wenjun , CHENG Shuai , LIU Wenxiang , LIAO Zhen , MA Long , ZHAO Bin , ZHANG Dezhi. Experimental Study on Dynamic Response of Upper Structure of High-rise Building under Far-field Explosion Shock Wave Loading. Acta Armamentarii. 2024, 45(11): 4039-4051 https://doi.org/10.12382/bgxb.2023.0960
中图分类号: O383   

基金

国家自然科学基金项目(51527810)

0 引言

爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化,在这种快速变化过程中,伴随有物质所含能量的快速释放和转变,导致周围介质的运动及其结构形态的变化或破坏[1]。炸药在给社会带来巨大经济和社会效益、促进文明发展的同时,也潜藏着不可忽视的危险与伤害。尤其是自20世纪以来,随着炸药在生产和军事等方面的广泛应用,恐怖袭击、化工厂事故等各种原因导致的爆炸伤害也不断给人类世界蒙上一层阴影。当爆炸冲击波波阵面到达建筑物表面时,必然要带动空气分子以一定的速度撞击建筑物而产生冲击波正压区比冲量,甚至可能导致建筑物倒塌,如果不考虑二次危害,则爆炸冲击波对建筑物的危害主要由超压和比冲量决定[2]
伴随炸药在生产生活中的广泛使用,同时以炸药为主要攻击手段的恐怖袭击时有发生,国内外专家也对爆炸冲击波对建筑物的毁伤效应开展了广泛研究,但目前的研究对象主要集中于单一的钢筋混凝土构件,并在此基础上建立了一些建筑物爆炸毁伤评判标准。Low等[3]通过等效单自由度(Single Degree of Freedom, SDOF)模型对钢筋混凝土板在爆炸荷载作用下的破坏模式进行了研究,得到了其在剪力破坏及弯曲破坏下结构响应规律。Luccioni等[4]对钢筋混凝土结构在爆炸荷载下的失效过程进行了数值模拟研究,并与现场照片进行了比对。穆朝民等[5]采用试验方法对爆炸冲击波作用于防爆墙及绕过墙体的规律进行了研究,发现作用于前墙迎爆面反射超压一般要比墙后最大绕射超压大一个数量级。Krauthammer等[6]基于Timoshinko梁理论,运用差分数值分析方法研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应和破坏情况。Malvar等[7]考虑了高应变率对钢筋性能的影响,对钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下的破坏模式进行了研究。李月强等[8]分别采用SDOF模型和数值计算软件对简支钢柱承受爆炸荷载时的动力响应进行了模拟,评估了等效SDOF模型在结构抗爆设计中的适用性。孙松等[9]通过数值计算方法研究了气体爆炸荷载作用下弯曲构件的动力响应,发现相同峰值的荷载作用时间越长,对结构产生的变形能越大,结构的最大振幅与残余变形越大。师燕超等[10]提出了直剪、弯剪联合破坏的判定准则,给出了两种破坏模式下钢筋混凝土梁动态响应的计算方法。阎石等[11]利用数值模拟方法对钢筋混凝土板在爆炸荷载作用下的破坏模式进行了分析。汪维等[12]通过11次爆炸试验发现,钢筋混凝土梁的破坏不仅依赖于爆炸比例距离,还与爆高有关。周游等[13]分析了薄壁方管在单次和重复爆炸荷载作用下的动力响应,发现两侧边是方管较脆弱的部位,极易因应力集中产生较大塑性应变。Hassan等[14]通过试验和等效SDOF方法评估了超高效纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete, UHPFRC)柱的抗爆性能。Chen等[15]通过试验和数值模拟等手段研究了轴向压力和爆炸荷载共同作用下钢筋混凝土柱的失效特性。Chee等[16]基于SDOF方法开发了一种数值计算模型,得到了浅埋盒式建筑结构在爆炸荷载作用下结构损伤评估的超压-冲量曲线。曾繁等[17]针对结构级建筑物的毁伤评估,提出了构件损伤加权的评估方法,并通过数值模拟验证了该方法的可靠性。
现阶段针对爆炸冲击波加载下建筑物的毁伤效应研究,主要集中于建筑群中的冲击波传播参数和单一建筑构件在爆炸荷载作用下的动态响应等方面的工作,对建筑物整体在远场爆炸冲击波整体加载下的动态响应过程研究较少,尤其缺乏真实爆炸场景的试验数据及破坏特征分析。
本文在前人研究的基础上,基于爆炸相似率和量纲分析,提出适用于爆炸荷载的大尺度缩比模型试验技术,以现代城市高层建筑设计中常见的框架剪力墙结构为研究对象,设计并建造1∶30大尺度缩比建筑模型,开展野外环境下大当量爆炸试验,分析高层建筑在爆炸冲击波作用下的动态响应及破坏特征,以研究城市高层建筑物在远场冲击波整体加载下的毁伤效应,为我国建筑结构的抗爆设计乃至对敌方军事火力打击运用提供一定的借鉴意义。

1 试验概况

1.1 试验效应物设计

大当量爆炸试验可真实反映建筑物在爆炸环境下的结构动态响应过程,获得丰富的冲击波传播参数及结构响应参数等试验数据,为后期数值模拟及理论研究提供佐证依据,但受限于经济成本和安全考虑,需要对建筑物原型进行缩比设计,以模拟远场爆炸冲击波整体加载效果。根据本次试验现场布局、效应物选择等条件限制,确定几何缩尺比例为1∶30,同时为能准确反映高层建筑的毁伤规律,也需要对建筑材料的力学性能进行调整,使其符合相似理论要求。根据Buckinham π定理[18],试验选用材料主要物理量的量纲及相似系数如表1所示。选取SLSσSa为相似系数控制参数,则根据量纲协调原理,其余相似系数满足:
Sρ=Sσ/(Sa*SL)
(1)
ST= SL0.5* Sa-0.5
(2)
式中:Sρ为材料质量密度相似系数;Sσ为强度相似系数;SL为长度相似系数;ST为周期相似系数;Sa为加速度相似系数。
表1 缩比模型主要物理量相似系数

Table 1 Main physical similarity coefficientsin the scaled model

物理性能 物理参数 量纲 相似系数 试验选用
相似系数
几何性能 长度 L SL 1/30
材料性能 弹性模量 ML-1T-2 Sσ 0.25
质量密度 ML-3 Sρ 0.75
应变 1 1 1
动力响应 周期 T ST 0.0577
加速度 LT-2 Sa 10
根据工程可实现情况,试验强度相似系数Sσ取0.25,加速度相似系数Sa取10,其余相似系数由式(1)、式(2)计算得到。
模型试验的材料应满足相似要求、量测要求、性能稳定要求、徐变小、加工制作方便[19],按照对应缩比的力学性能指标,选用微粒混凝土模拟商用混凝土,镀锌铁丝代替原型建筑钢筋。微粒混凝土与普通混凝土一样也需要经过配比、制作、浇筑、振捣和养护等流程,最终的性能也与普通混凝土较为相似,实际制作中往往可以通过调整配合比来达到弹性模量降低的要求。镀锌铁丝采用优质低碳钢经拉拔成型、酸洗除锈、高温退火、热镀锌、冷却等工艺流程加工而成,本次试验模型采用的镀锌铁丝抗拉强度为300MPa,同时根据不同位置处的承载力要求,直径分为0.71mm、0.90mm和1.20mm共3种。
本次试验借鉴某高度约为100m的高层短肢剪力墙结构实际建筑,按照1∶30缩尺比例进行模型设计,见图1。模型总体尺寸约为1.5m×0.9m×3.4m,共28层,每层层高约为135mm,建筑形式表现为 5开间3进深的短肢剪力墙结构建筑,开间宽依次为160mm、300mm、190mm、350mm、160mm;中间走道宽70mm,两侧房间进深均为250mm;在结构中部位置布置有3个电梯井,剪力墙均匀布置在结构各处。模型与场地基础为刚性嵌固连接,在试验现场浇筑模型安装地基,并通过4根ϕ30地钉螺栓将缩比模型与地基固定,用以模拟真实环境下高层建筑地基对上部结构稳定性和结构响应的影响。
图1 1∶30缩比框架剪力墙模型

Fig.1 1∶30 scaled model of frame-shear wall structure

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1.2 试验设计

图2为试验现场布置图,其中R1为模型A到爆心的距离,R2为模型B到爆心的距离。使用球形TNT装药对高层缩比建筑模型进行爆炸试验,以研究高层建筑在爆炸冲击波作用下的动态响应规律和毁伤模式。试验场地为沙石地面,与理想刚性地面条件有一定差距,需要考虑反射系数。为尽可能提高地面对冲击波的反射效果,同时尽量满足平面冲击波加载的要求,试验炸药等效当量为8kg TNT,炸药中心距离地面高度为0.5m,使用支架提供支撑,并对地面进行硬化处理。试验主装药为TNT/RDX球形裸药,TNT与RDX质量比为4∶6,密度为1.67g/cm3。主装药中心放置一个爆炸当量为1g TNT的小药球,根据雷管至小药球至主装药的顺序引爆炸药,确保达到均匀起爆状态。试验共设置2栋相同的1∶30缩比框架剪力墙结构高层建筑为考察对象,得到不同爆炸冲击波荷载作用下高层框架剪力墙建筑的毁伤模式和结构响应参数。缩比框架剪力墙建筑模型后放置支架用于安装位移传感器,支架通过底部钢片焊接在地表预埋钢板上,以保证试验时不发生倾覆及侧移。
图2 试验现场布置

Fig.2 The layout of experimental site

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1.3 测试设计

本次试验的测试项目主要分为冲击波环境参数和建筑模型动态响应参数等两类,其中冲击波环境参数是指爆炸冲击波在不同区域的压力时程曲线,建筑模型动态响应参数为模型典型位置处的位移响应参数。1∶30缩比建筑构件尺寸小,不具备在模型上安装压力传感器的条件,因此单独设置笔式压力传感器进行压力场测量。同时根据以往试验经验,当爆炸比距离较近时,由于爆炸火球强光及爆轰产物影响,本次试验所用的压阻式压力传感器干扰较大,无法准确得到冲击波流场信息。因此本次试验中压力测点距爆心水平距离为7.6m,与模型B保持一致,模型A迎爆面冲击波压力载荷可根据模型B修正后的数值仿真模型计算得到。同时为得到建筑物表面不同高度处的压力载荷数据,试验中共设置两组压力传感器,离地高度分别为0.5m和1.0m,传感器敏感面正对爆心。
位移响应参数主要依靠建筑模型背面安装的笔杆式位移传感器进行测量,测点如图3所示,位移传感器均安装在建筑模型背爆面一侧,位置涵盖不同高度的框架梁、柱以及剪力墙,两组缩比建筑模型位移测点位置完全相同。图3中,D1~D5分别为5组测点位置。试验前,对每一个笔杆式位移传感器均使用示波器进行标定,拟合得到其位移参数与输出电压之间的关系曲线。传感器导杆端头位置留有螺纹,试验前通过在测点位置处打孔将带有螺纹孔的连接件固定在建筑模型上,连接件和模型之间放置垫片,防止测点位置处模型表面受压破坏,安装时需要将传感器端头预压约1cm,以保证传感器紧贴在模型背爆面。为防止爆炸火球及模型碎片对传感器线缆的破坏,线缆外部使用铝塑管和防火布进行防护。
图3 位移参数测量

Fig.3 Measurement of displacement

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2 试验现象与破坏状况

2.1 起爆均匀性

爆速是爆轰波在炸药中稳定传播的速度,是表征炸药爆轰性能的重要参数之一。计算爆速常用的方法是Kamlet法。对于由C、H、O、N 4种化学元素构成的炸药,其爆速vD的计算公式[20]
vD=1.01φ1/2(1+1.3ρ0)φ=0.489NMQ
(3)
式中:φ为炸药的特征值;ρ0为炸药的装药密度;N为每克炸药所生成气态爆轰产物的物质的量;M为气态爆轰产物的平均摩尔质量;Q为每克炸药的最大定压爆热。
以RDX为例,RDX的化学方程式为C3H6O6N6,根据Kamlet法可得
N=2d+b+2c4Mre=0.03377( mol/g)M=56d+88c8b2d+b+2c=27.2( g/mol)Q=28.9b+94.1(c2b4)0.239ΔHf0Mre×4.184×103=6220.52( J/g)φ=0.489NMQ=6.7904vD=1.01φ1/2(1+1.3ρ0)=8743( m/s)
(4)
式中:d为N原子的个数;b为H原子的个数;c为O原子的个数;Mre为炸药摩尔质量;Δ Hf0为炸药的生成热。同理可得TNT(化学方程式为C7H5O6N3)爆速为6680m/s。
为监测试验中炸药起爆状态,从而判断是否形成完整的爆炸冲击波加载条件,试验时在炸药上共布置了2根探针(见图4),其中探针1粘贴于1g起爆小药球表面,以确定小药球起爆时间,探针2粘贴于主装药表面,以利用2根探针的触发时间差值得到主装药的爆炸速度。
图4 探针布置

Fig.4 Probe placement

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图5的探针信号中可知,探针1的触发时间为3.8547ms,探针2的触发时间为3.8668ms,计算得到2根探针的触发时间差Δt=0.0121ms,主装药等效当量为8kg TNT,半径为97.2mm,由此得到主装药爆速为8033m/s,标志本次试验装药达到了完全起爆状态。
图5 探针信号

Fig.5 Probe signal

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2.2 模型A(R=3.5m)破坏形态

试验后,爆心距为3.5m的框剪模型A结构产生较大毁伤,迎爆面部分结构柱和梁断裂,剪力墙脱落,顶部楼板隆起,脱离柱和剪力墙构件,同时内部部分剪力墙体也受压破坏,整栋建筑模型无法维持正常使用状态,但未发生整体倾覆和侧移。为区分不同高度对结构毁伤形态的影响,主要根据楼层将框剪建筑分为如下三个部分:区域(1~9层)、区域(10~19层)和区域(20~28层),各区域破坏形态如表2图6~图9所示。
表2 模型A破坏形态分析

Table 2 Failure pattern analysis of Model A

区域编号 方向 剪力墙
迎爆面 少部分梁构件受弯破坏,混凝土开裂或脱落,破坏构件主要集中于中梁;大部分仍保持完好;毁伤数占迎爆面全部梁构件的比例约为40% 底部(1~3层)中柱构件在剪力作用下破坏严重,其余部分基本保持完好;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17% 部分楼板存在扩张型裂纹,但除第9层外大部分保持完整 底部剪力墙体完全破坏或脱落,但随着高度的增加,毁伤程度降低;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为100%
背爆面 基本保持完整 基本保持完整 基本保持完整 测点处部分墙体破坏严重
侧面 基本保持完好,存在少量裂纹 基本保持完好 基本保持完好 底部部分混凝土脱落
迎爆面 整体破坏较为严重,部分构件混凝土完全脱落,产生贯穿性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为78% 15~17层柱构件破坏严重,部分构件混凝土完全脱落,钢筋裸露;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17% 楼板破坏程度较区域更为严重,中间部分存在明显的隆起现象 部分混凝土墙体脱落,较区域毁伤程度减轻;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为95%
背爆面 基本保持完整 基本保持完整 基本保持完整 测点处部分墙体破坏严重
侧面 靠近迎爆面一侧的侧梁破坏较为严重,部分混凝土脱落 基本保持完好 基本保持完好 部分靠近迎爆面一侧的混凝土墙体脱落
迎爆面 基本保持完整,部分梁构件存在横向裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为56% 毁伤程度较为严重,较多构件存在剪切破坏,部分混凝土脱落,少量柱构件完全摧毁甚至消失;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为43% 顶部楼板完全隆起,与梁、柱构件脱离,其余部分基本保持完整;顶部结构已完全丧失使用性和安全性要求 剪力墙体基本保持完好,少部分区域存在扩张性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为67%
背爆面 基本保持完整 基本保持完整 基本保持完整 基本保持完整
侧面 基本保持完好 少量柱构件存在部分混凝土脱落,基本保持完好 顶部靠近迎爆面一侧存在轻微隆起,基本保持完好 基本保持完好
图6 模型A区域Ⅰ迎爆面

Fig.6 Front face of District Ⅰ of Model A

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图7 模型A区域Ⅱ迎爆面

Fig.7 Front face of Floor Ⅱ of Model A

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图8 模型A区域Ⅲ迎爆面

Fig.8 Front face of District Ⅲ of Model A

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图9 模型A侧爆面

Fig.9 Side face of Model A

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综合各方向建筑模型构件的最终破坏效果和建筑使用性、安全性要求可以看出,三个区域的毁伤程度排序依次为:区域>区域>区域。这是因为当高层建筑处于爆炸冲击波整体加载环境下时,底部基础对上部建筑运动存在一定的限制作用,而随着楼层高度的增加,层间位移量的积累将使建筑的破坏形态更加严重,此时可将高层建筑整体等效为底部固支约束的悬臂梁进行简化分析。同时,顶部楼板由于缺乏上部约束,楼板在冲击波压-弯-剪-扭等多种合力联合作用下隆起,脱离框架梁、柱等构件。

2.3 模型B(R=7.6m)破坏形态

试验后,缩比框架剪力墙建筑模型毁伤程度较小(见图10),外立面基本保持完整,未发生明显的结构性破坏,只有顶层各有1根中柱和中梁发生断裂,顶部楼板微微隆起,但未脱离梁柱等构件。
图10 试验后模型B最终破坏形态

Fig.10 Final failure pattern of Model B after experiment

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由A、B两组缩比模型的毁伤情况可以看出:在远场爆炸冲击波作用下高层框架剪力墙建筑中的框架柱主要发生受剪破坏,破坏部位集中于柱构件两端连接处;框架梁的毁伤以弯曲破坏为主,梁裂缝从中间位置扩展至两端,直至混凝土出现破碎,梁的抗弯承载能力急速下降;同时梁、柱、板和剪力墙等构件间的连接也对单一构件的破坏模式有较重要的影响,部分位置处楼板隆起造成附近框架梁从中部断裂,与单一梁构件的弯曲破坏模式有一定区别。

3 试验结果与分析

通过1∶30缩比模型试验,得到高层建筑在远场爆炸冲击波作用下的压力与位移响应数据,各测点的时程曲线均未作滤波处理。由于模型A(R1=3.5m)在爆炸冲击波作用下毁伤明显,大量构件发生断裂、混凝土脱落等,位移数据基本不可用,因此本节数据分析主要针对模型B(R2=7.6m)进行。

3.1 冲击波压力

1∶30缩比建筑构件尺寸小,不具备安装压力传感器的条件,因此单独设置笔杆式压力传感器进行压力场测量。压力传感器距爆心水平距离与模型B保持一致,两组压力传感器离地高度分别为0.5m和1.0m,传感器敏感面正对爆心,测点压力时程曲线如图11所示。从图11中可以看出,忽略传感器部分高频噪声的影响,两组测点的压力时程曲线基本重合,建筑模型迎爆面爆炸冲击波到时约为0.013s,超压峰值约为150kPa,正压作用时间约为7ms。
图11 测点压力时程曲线

Fig.11 Pressure-time curves at measuring points

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为进一步研究远场爆炸冲击波对缩比建筑模型的加载方式,判断其在建筑表面的空间分布,同时得到精确的冲击波时程曲线数据,为模型位移响应的数值计算奠定基础,采用有限元分析软件对本次试验中模型表面的压力参数进行计算。计算冲击波传播过程时使用一维到三维的映射计算方法,在一维模型中可采用细密网格,而在三维模型中采用尺寸较大的网格进行计算,这有利于在保证计算结果精度的前提下减少网格数量,提高计算效率,计算模型如图12所示。
图12 压力分布数值计算模型

Fig.12 Numerical model of pressure distribution

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本次试验当量为8kg TNT,建筑模型迎爆面与爆心的水平距离为7.6m,爆心高度为0.5m,考虑到地面反射效应,取反射系数为2,因此在一维数值计算时将爆炸当量设定为16kg TNT。根据试验工况设计,一维楔形模型长度为7.6m,网格尺寸为2mm,分别在距爆心0.5m、3.8m和7.6m处取 3个观察点,得到不同位置处爆炸冲击波压力曲线,同时获得三维映射模型荷载输入条件。由于炸药是中心起爆,为简化计算,三维映射模型按试验效应物几何尺寸的1/2建模,空气计算域为7.6m×0.8m×3.8m,网格尺寸为10mm。本节数值计算仅针对建筑模型表面压力场分布,因此将建筑效应物视为刚性体,采用刚性边界进行模拟,尺寸为0.75m×3.4m,X=0m面边界定义为对称边界,下边界定义为全反射来模拟刚性地面,其余边界为流出边界,用以模拟半无限空气域。建立模型后,将一维楔形模型爆炸冲击波压力的计算结果映射到三维模型中。在建筑模型网格表面纵向每隔0.4m、横向每隔0.25m布置1个观察点,共均匀布置27个观察点,用于得到建筑模型迎爆面各区域的冲击波压力时程曲线。
数值计算部分观察点结果如图13所示(其中H为爆炸中心高度),由于数值计算采用一维到三维的映射计算方法,计算零时和试验实测零时不同,为更好地验证数值计算结果的可靠性,对图13(a)中数值计算得到的冲击波压力曲线进行了平移处理,使两组曲线的上升时刻基本一致。从图13(a)中可以看出,数值计算得到的冲击波压力曲线与试验实测曲线吻合良好,冲击波超压峰值和正压作用时间基本保持一致,验证了爆炸冲击波压力载荷数值计算模型的可靠性。从图13(b)图13(c)中可以看出,建筑模型表面冲击波压力场分布较为均匀,无论是高度方向还是宽度方向,各测点压力曲线基本重合,超压峰值集中在147~165kPa范围,正压作用时间在7.6~8.1ms范围内,各测点的冲击波到时随高度增加而略有增加,但最大差值范围在1ms之内,影响可忽略。
图13 建筑模型表面压力场分布计算结果

Fig.13 Calculated results of pressure distribution

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因此根据试验实测数据及数值计算结果可以认为,在本次试验工况条件下建筑模型处于整体加载环境,爆炸冲击波以近似平面波的形式作用于试验效应物上,此时爆心与建筑物夹角θ为25°,如图14所示,其中Hs为建筑高度。
图14 爆心与建筑物夹角

Fig.14 Angle between explosion center and building

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当夹角θ<25°时,为验证压力参数的分布规律,判断是否满足类似平面冲击波均匀分布的状态,使用同样的数值模拟计算方法,保持建筑物尺寸、炸药当量、爆心高度等其余工况条件不变,将爆心距设置为10m,计算得到建筑表面压力载荷参数,此时θ=19°
数值计算结果如图15所示。从图15中可以看出,当夹角θ=19°时,建筑物迎爆面冲击波压力载荷沿高度和宽度两个方向分布均匀,整体仍满足平面波加载在状态。根据两种工况条件下的数值计算结果,可以认为当爆心与建筑物夹角θ≤25°时,爆炸冲击波会以整体加载的方式作用于建筑物表面,此时可认为迎爆面各处冲击波压力参数相同。
图15 θ=19°表面压力场分布计算结果

Fig.15 Calculated results of pressure distribution for θ=19°

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3.2 位移

建筑结构在爆炸冲击波作用下会产生一系列物理变化,运动状态会发生较大幅度的改变。而在应变、加速度和位移等各类响应参数中,由于钢筋混凝土材料的不均匀性,应变和加速度受周围材料分布的影响较大,因此位移参数无疑是最重要的,它可以直观反映出建筑结构的整体破坏情况,为毁伤后建筑物的功能性和安全性评估提供基本依据,并可以作为数值模拟仿真模型验证的基准参数。
模型B在试验后仅发生了轻度毁伤,除屋顶盖板部分掀起外,梁板柱等结构构件未发生大面积破坏,位移传感器测点处构件未发生受压破坏,混凝土材料保持完整,模型运动全过程中传感器均与模型保持固支接触,因此得到的位移时程曲线真实可靠,可完整反映出框架剪力墙建筑模型在爆炸环境下的位移响应,用于规律性分析及数值模拟的验证。模型B各测点位移参数时程曲线测量结果如图16图17表3所示。
图16 模型B实测位移时程曲线

Fig.16 Measured displacement-tine curve for Model B

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图17 位移峰值随测点高度的变化曲线

Fig.17 The curve of displacement peak variation with the height of the measuring point

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表3 模型B位移传感器测点数据

Table 3 Displacement data at different measuring points of Model B

参数 测点编号
D1 D2 D3 D4 D5
坐标/cm 141120 13168 138225 130170 5122
位移峰值/cm 0.41 0.58 0.75 0.57 0.46
峰值到时/ms 26.2 28.6 35.7 30.9 26.9
从上述数据和曲线可以得到以下结论:
1)从试验结果图像和位移测点数据可以看出,爆心距为7.6m的框架剪力墙建筑模型位移响应处于弹性变化阶段,未出现残余位移,模型处于轻度毁伤状态。
2)从D1D5D2D4两组数据中可以看出,当建筑处于弹性变形阶段时,与模型中心垂线呈对称关系的2个测点位移峰值及峰值到时几乎相同,建筑物的位移响应只与结构构造及高度有关,为数值模拟研究取1/2模型进行计算提供了数据支撑。
3)从模型各测点的位移时程曲线中可以发现,各测点前期位移变化曲线近似重合,增长趋势基本相等;后期由于各测点竖直高度不同,位移峰值有一定差别,但位移响应整体变化趋势保持一致。
4)根据冲击波超压和冲量毁伤准则[21],如果载荷作用时间τ大于目标的自由振动周期T(一般取τ/T≥10),可将此载荷视为静载荷,目标变形响应可按静力计算,取决于该瞬间的最大压力,与时间变化无关;当冲击波作用时间很短,远小于结构自由振动周期(一般取τ/T≤0.25)时,则认为是冲击作用,目标破坏仅取决于冲量大小,而与最大载荷无关。从位移时程曲线可以看出,建筑模型的自振周期约190ms,而爆炸冲击波正压作用时间为10ms,约为模型自振周期的1/19,此时可认为建筑模型的变形与破坏主要取决于爆炸冲击波比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。
5)从图17中可以看出,当建筑模型在爆炸环境下仅受到轻度毁伤、整体变形仍处于弹性阶段时,各位置的横向位移峰值与高度呈线性增长的关系。

3.3 试验后结构毁伤等级评估

毁伤等级划分反映了爆炸冲击波对建筑结构毁伤效应与毁伤程度间的映射关系,是指导建筑防护设计规范及火力运用的基础。本次试验中高层框架剪力墙建筑模型在远场爆炸冲击波整体加载下,模型部分结构发生了一定的破坏。为了判断试验后两种爆心距下高层框架剪力墙模型A和模型B的毁伤等级,本文参照已有标准[22],从物理毁伤描述、构件毁伤比例、功能损伤描述等多角度进行分析,结果如表4所示。
表4 两组模型毁伤等级判断

Table 4 Damage grade judgment of two models

参数 模型A 模型B
爆心距/m 3.5 7.6
爆炸比距离/
(m·kg-1/3)
1.75 3.80
物理毁伤描述 模型梁、柱、剪力墙等结构件部分发生中度以上破坏,出现局部混凝土脱落、压碎等现象 梁、柱、剪力墙基本保持完好,只有顶层各有一根中柱和中梁发生断裂,顶部楼板微微隆起,但未脱离梁柱等结构件
构件毁伤比例 约10%的楼板发生破坏,10%以下的梁、柱构件破坏 极少数梁、柱构件破坏,比例小于2%
修复难度 承重构件发生破坏,原型需使用大型设备修复 承重构件未发生明显破坏,所遭破坏构件均为次要构件,建筑承载力未受影响,无需动用大型设备修复
功能损伤描述 经修复后可继续使用 仍可继续使用
毁伤等级 中度 轻微
表4中可以看出,针对本次试验模拟的高层框架剪力墙建筑,当爆炸比距离小于1.75m/kg1/3时,建筑物在冲击波整体加载时发生中度毁伤;当爆炸比距离大于3.8m/kg1/3时,建筑物发生轻度毁伤。随着爆炸比距离的增大,建筑结构的毁伤程度趋于降低。

4 结论

本文通过野外化爆试验和数值计算分析的方法,对远场爆炸冲击波整体加载下高层框架剪力墙建筑结构的破坏模式和位移响应规律进行了分析,获得了位移等结构响应参数。得出以下主要结论:
1)在爆炸冲击波作用下,高层建筑框架柱破坏模式以受剪破坏为主,破坏部位集中于柱两端;框架梁构件以弯曲破坏为主,梁裂缝从中间位置扩展至两端;不同构件间的相互作用对破坏模式也有重要的影响。
2)在相同爆炸荷载作用下,随着楼层高度的增加,层间位移量的积累将使建筑的破坏形态更加严重,同时迎爆面毁伤程度远高于侧面及背面。
3)爆心与建筑物夹角θ≤25°时,爆炸冲击波会以整体加载的方式作用于效应物表面,此时可认为迎爆面各处冲击波压力参数相同。
4)在远场冲击波整体加载条件下,由于冲击波正压作用时间远小于结构自振周期,建筑模型的变形与破坏主要取决于比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。
需要注意的是,本文建立的毁伤数据是依据现场试验模型采用的结构参数得到的,可为其他建筑结构毁伤评估及动态响应分析奠定基础,并为数值计算模型验证提供校核数据,但不同类型建筑结构相关毁伤数据仍待进一步研究。

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RC beams may be damaged with different failure modes subjected to blast loads. The possible damage modes include flexural failure, direct shear failure, combination of diagonal shear and flexural failure. A dynamic analysis method of structural components under blast loads mainly considers the flexural failure mode and ignores direct shear failure and combination of diagonal shear and flexural failure. Therefore, a quick and accurate blast analysis method for different failure modes is still lacking. In this paper, based on an equivalent single degree of freedom (SDOF) model theory,equivalent SDOF models considering direct shear failure and combination of diagonal shear and flexural failure for RC beams are improved, and the failure criteria and calculation method for the dynamic response of RC beams exhibiting both the direct shear failure and combination of diagonal shear and flexural failure are proposed. Furthermore, considering the combined failure modes, an improved equivalent SDOF method for blast analysis of RC beams is proposed. The procedure for blast analysis of RC beams based on the improved equivalent SDOF method is also presented. The improved method can directly evaluate the failure modes of RC beams under blast loading and calculate structural dynamic responses. Different failure modes and dynamic responses of RC beams under different blast loads are simulated based on software LS-DYNA. The comparison between the simulated results and results calculated from the improved equivalent SDOF method proves that the proposed equivalent SDOF method is valid.
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摘要
为研究钢筋混凝土梁在爆炸波作用下的毁伤判据,对两种尺寸的钢筋混凝土梁在缩比条件下进行了不同爆炸距离作用和装药量下的试验研究。试验中以高层和框架结构中最常见的两种 梁为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,观测了钢筋混凝土梁在不同装药量下的破坏模式和破坏特征。研究结果表明:钢筋混凝土梁在近区爆炸荷载作用下,在同一爆高下,随着装药量的增加,梁的破坏程度逐渐增加,破坏模式由迎爆面中心两侧少量混凝土脱落和背爆面少量断裂裂纹逐渐增加为迎爆面倒三角锥形式混凝土压碎弯曲破坏,背爆面出现三角锥裂纹和背爆面少量混凝土脱落破坏,最终迎爆面和背爆面三角锥破坏区域贯通形成中心区域压碎崩塌弯曲破坏;崩塌区域的尺寸随着装药量增加而逐渐增加。近区爆炸(以爆距0.5 m为例)作用下,试验钢筋混凝土梁的毁伤判据为:当比例爆高Z>0.4 m/kg<sup>1/3</sup> 时,梁遭受到轻微破坏;当比例爆高0.3 m/kg<sup>1/3</sup>1/3</sup> 时,梁遭受到中等破坏;当比例爆高0.28 m/kg<sup>1/3</sup>1/3</sup>时,混凝土梁遭受重度破坏;当比例爆高Z1/3</sup>,梁遭受严重破坏。在近区爆炸作用下,钢筋混凝土梁的破坏不仅依赖于爆炸比例距离,还与爆高有关,同一比例距离下爆高越大,梁试件的破坏越严重。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。
WANG W, LIU R C, WU B, et al. Damage criteria of reinforced concrete beams under blast loading[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(8):1421-1429. (in Chinese)
In order to investigate the damage criteria of reinforced concrete (RC) beams under blast loading, the experimental study of two different dimensions of RC beams under different blast distances and charge masses is carried out. Two common RC beams designed for tall buildings and frame structures are taken as the research objects. The damage mode and characteristics of RC beams are got through 11 independent blast experiments. The results show that, when RC beams are subjected to close-in blast loading, the damage level increases with the increase in explosive mass at the same blast distance, the damage mode of RC beams changes from a few fall-off of concrete on the two sides of upper side and a few ruptures on the rear face to the compressed flexural damage of reverse triangle cone-shaped concrete on the upper side and triangle cone-shaped crack and a fall-off of concrete on the rear face, and finally the triangle cone-shaped damage areas on both upper side and rear face are perforated to result in a crushed and punched damage of concrete in the middle area. The damage area increases with the increase in explosive mass. Under close-in blast loading (blast distance= 0.5 m for example), the damage criteria of the RC beams used in the experiment are: the beam suffers from minor damage for scaled burst distance Z>0.4 m/kg<sup>1/3</sup>; it suffers from moderate damage for scaled burst distance 0.3 m/kg<sup>1/3</sup><Z<0.4 m/kg<sup>1/3</sup>; it suffers from high damage for scaled burst distance 0.28 m/kg<sup>1/3</sup><Z<0.3 m/kg<sup>1/3</sup>; it suffers from serious damage for scaled burst distance Z<0.28 m/kg<sup>1/3</sup>. It is also found that the damage of RC beam not only depends on the scaled burst distance under close-in blast loading, but also depends on the burst distance. At the same scaled burst distance, the more the burst distance is, the damage of RC beam is more serious. The results can be useful for engineering application and damage assessments.
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摘要
薄壁方管作为一种典型工程构件,在建筑、海洋、航天等领域应用广泛,其结构面临遭受重复爆炸的风险,开展薄壁方管在重复爆炸载荷作用下的动力响应研究具有重要现实意义。采用实验与数值模拟相结合的方法,对比分析了薄壁方管在单次和重复爆炸载荷作用下的动力响应。将壁厚4 mm、横截面边长100 mm的薄壁方管置于爆炸场中进行冲击实验,并利用非线性动力有限元程序LS-DYNA完全重启动功能及流体与固体耦合算法,对薄壁方管在单次爆炸和重复爆炸载荷下的非线性动力响应过程进行三维数值模拟;描述了方管在不同爆炸次数下的动力响应及损伤变形,给出了一种通过损伤因子反映爆炸载荷作用后材料损伤劣化的数值计算方法。研究结果表明:方管在重复爆炸作用下的变形会产生损伤积累;相同爆炸载荷作用下已变形损伤的方管相对无损方管其有效应变增量更大,在迎爆点周围区域、侧边以及塑性铰位置,前者有效应变增量达到了后者的2.47~3.88倍,容易引起方管更严重的毁伤;两侧边是方管较脆弱的区域,极易因应力集中产生较大的塑性应变,需要特别加强防护。
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As a typical engineering component, thin-walled square tube is widely used in construction, ocean and aerospace fields. Its structure may be subjected to the repeated blast loads. It is of practical significance to the research on dynamic response of thin-walled square tube under repeated blast loads. Experimental and numerical investigations were carried out on the dynamic response of thin-walled steel square tubes subjected to single and repeated blasting loads. The impact experiments of thin-walled square tube with 4 mm in wall thickness and 100 mm in cross-section width were made in the explosion field. Based on the full restart function of LS-DYNA and Euler-Lagrange coupling method, the dynamic responses of square tubes subjected to single or repeated blast loads laterally are numerically simulated, and the damage effects under different explosion numbers are described.A numerical method is proposed to reflect the material damage after blast load by damage factor. The results show that the deformation of square tubes subjected to repeated blast loads causes a damage accumulation. Under the same blast load, the deformed square tube has bigger effective strain increment than that of undamaged square tube. In the area around the mid-point, the sides and the plastic hinge position of square tube, the effective strain increment of the former is 2.47-3.88 times of the latter, which may cause the square tube to be damaged more seriously. The two sides of square tube are the weak areas, so it is easy to produce large plastic strain due to stress concentration, and a special protection is needed. Key
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