郭玉榮　張楠

摘要：為了探索砌體墻在近距離爆炸荷載作用下的破壞規(guī)律及碎塊拋射規(guī)律，通過(guò)AUTODYN建立數(shù)值模型，得到在近距離手提箱包炸彈爆炸荷載作用下砌體墻的荷載分布規(guī)律及碎塊拋射速度規(guī)律.結(jié)果表明：12墻、24墻、加固24墻在爆炸荷載作用下破壞規(guī)律是相似的.24墻及加固24墻相對(duì)12墻碎片拋射速度有較明顯的降低.加固24墻由于聚氨酯加固膜的兜裹作用，最終會(huì)明顯減小碎塊的出墻面位移和速度.此外砌體墻各測(cè)點(diǎn)拋射速度與比例距離的關(guān)系曲線與超壓峰值與比例距離關(guān)系比較相似.

關(guān)鍵詞：砌體墻；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；爆炸荷載；爆炸碎片；防爆

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to explore the failure process and fragments ejection rule of blast case for masonry walls， the AUTODYN program was used to simulate the dynamic response of masonry walls under close range blast load. The distribution of blast pressure on masonry walls and debris ejection laws were obtained. The results show that the destruction rules of 120 mm， 240 mm masonry walls， and the strengthened 240 mm wall under close range blast load are similar. The debris ejecting speed of 240 mm wall and the strengthened 240 mm wall declines obviously when compared with 120 mm masonry wall. The debris ejecting speed of the strengthened 240 mm wall declines significantly on account of the consolidated film of PU. Moreover， the relationship between ejecting speed and scaled distance is similar to the relationship between scaled distance and peak overpressure.

Key words：masonry walls； dynamic response； blast load； explosion fragments； explosion prevention

日益頻繁的恐怖爆炸襲擊活動(dòng)，使工程師們不得不面對(duì)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：即如何保證結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載下的安全，以避免人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失.由于砌體墻的經(jīng)濟(jì)性，砌體墻幾乎應(yīng)用于所有的建筑結(jié)構(gòu)中.然而在爆炸沖擊荷載作用下，相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)砌體墻表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性[1]，高速爆炸沖擊波產(chǎn)生沖擊荷載使砌體碎片以很高的速度拋射，給建筑的使用者造成嚴(yán)重的傷害.因此自9.11恐怖襲擊事件以來(lái)，世界各國(guó)的政府和研究機(jī)構(gòu)對(duì)砌體墻的抗爆問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而深入的研究.2002年，美國(guó)The Technical Support Working Group （TSWG），進(jìn)行了一系列的砌體墻試驗(yàn)對(duì)超壓-沖量破壞進(jìn)行考察.此外他們對(duì)墻體的破壞形態(tài)做了分類(lèi)，共4種[2]：“可使用”、“可修復(fù)”、“倒塌”和“碎片飛出”.當(dāng)墻體出現(xiàn)碎片飛出的情況時(shí)，只要速度達(dá)到9.2 m/s，就會(huì)對(duì)人員造成較大的威脅.

研究砌體墻抗爆性能時(shí)，曾采用現(xiàn)場(chǎng)爆炸[3-5]、擺錘[6]、落錘[7]、爆炸模擬器[8]等試驗(yàn)法.鑒于真實(shí)試驗(yàn)的危險(xiǎn)性和不易觀測(cè)性，進(jìn)行數(shù)值模擬分析就成了較好的替代方法.

在數(shù)值模擬研究方面，許三羅[9]用單磚長(zhǎng)度的砌體棱柱來(lái)代替整面墻，進(jìn)行了砌體填充墻的破壞過(guò)程分析.雖然得出了砌體填充墻大體破壞規(guī)律，但是用砌體棱柱代替整面墻體的模擬方法忽略了相鄰棱柱對(duì)砌體的約束作用，與砌體墻的實(shí)際情況有所出入.張彥春等[10]分析了砌體墻炸洞尺寸與炸藥量的關(guān)系，得出了隨著炸藥量的增大，炸洞尺寸變大的結(jié)論，但是隨著炸藥量的繼續(xù)增加，炸洞尺寸增大速度變慢.

恐怖襲擊事件的頻發(fā)，使越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)提高了防范恐怖襲擊的意識(shí)并采取各種措施來(lái)隔離汽車(chē)炸彈與建筑物的距離，取得了一定的效果.然而手提箱包炸彈由于其高度的靈活性、隱蔽性及不確定性，正越來(lái)越成為建筑和人員安全的威脅[11].手提箱包炸彈的等效TNT當(dāng)量從5磅到20磅不等，本文TNT當(dāng)量取上限值為20磅.作者應(yīng)用爆炸動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬程序ANSYS/AUTODYN，分別對(duì)12墻、24墻、加固24墻（端部通過(guò)角鋼及螺栓錨固在混凝土梁上的聚氨酯（PU）膜）在相同的TNT炸藥（20磅）爆炸荷載作用下的破壞過(guò)程進(jìn)行了研究，獲得了砌體填充墻表面載荷分布規(guī)律、砌體墻的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程規(guī)律和砌塊的拋射規(guī)律，并結(jié)合結(jié)果探討砌體墻受爆炸載荷直接作用下的抗爆性能.

1數(shù)值計(jì)算模型

由于在實(shí)際建筑中，外填充墻主要為24墻，內(nèi)填充墻主要為12墻.因此建立三片墻體模型：12墻、24墻和加固24墻.由于我國(guó)房屋建筑的層高一般為3 m左右，所以墻體模型的幾何尺寸為1 990 mm×3 000 mm×115（240） mm的砌體墻，利用對(duì)稱(chēng)性建立一半寬度的砌體墻.在模擬過(guò)程中，一塊砌塊的具體尺寸為240 mm×90 mm×115 mm，在墻體長(zhǎng)度方向放置4塊（X向），高度方向放置30塊（Y向），厚度方向放置1塊（2塊）（Z向），砂漿灰縫厚度均為10 mm.為了模擬砌體墻的邊界條件，約束住砌體墻頂部和底部處的X，Y，Z方向速度（即約束住砌體墻底部和頂部的位移）；給整個(gè)墻體施加沿墻體高度方向速度限制，來(lái)模擬剛性樓地面對(duì)墻體Y方向的速度約束；在對(duì)稱(chēng)面上施加X(jué)方向速度限制的邊界條件，具體情況如圖1所示.

為了模擬手提箱包炸彈恐怖襲擊，將9.10 kg（20磅） TNT炸藥放在距離墻體表面0.5 m（炸藥質(zhì)心到砌體墻表面距離）處對(duì)稱(chēng)軸所處的地面上，比例距離Z （Z=R/W1/3，其中R為距離（m），W為炸藥質(zhì)量（kg））為0.24 m/kg1/3.在砌體墻對(duì)稱(chēng)軸的正面（即放置炸藥一面）建立6個(gè)壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)，來(lái)得到6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的爆炸超壓荷載數(shù)據(jù).同時(shí)在砌體墻的背面同樣高度處建立另外6個(gè)速度測(cè)點(diǎn)，來(lái)得到砌體墻的不同部位磚塊的拋射速度和位移，具體正面壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)和背面速度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1.

在墻體周?chē)肊uler Idea Gas來(lái)模擬空氣介質(zhì)，以此來(lái)傳遞TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波.同時(shí)在Euler網(wǎng)格的邊界添加流出邊界條件來(lái)模擬無(wú)限邊界的空氣，完整模型見(jiàn)圖2.

2材料模型和材料參數(shù)

為了模擬爆炸荷載對(duì)砌體墻的破壞作用，涉及到5種材料，即TNT炸藥、空氣、砌塊、砂漿和PU膜.在材料模型選取方面，主要參考了張彥春等[11]和Irshidat Mohammed [8]在砌體墻抗爆研究中所采用的模型，如表1和表2所示.這些材料模型的合理性和正確性已在該兩篇文獻(xiàn)中得到證明.

本文算例涉及的主要材料參數(shù)[12]如表3所示.

3結(jié)果分析與討論

3.1砌體墻表面不同時(shí)刻超壓荷載分布情況

從圖3中可見(jiàn)砌體墻正面各部位不同時(shí)刻壓強(qiáng)分布差別很大，而且隨著時(shí)間衰減得很快.根據(jù)文獻(xiàn)[1]，對(duì)于普通砌體墻當(dāng)超壓荷載介于50～76 kPa時(shí)，墻體嚴(yán)重開(kāi)裂，傾斜很大角度甚至倒塌.當(dāng)超壓荷載大于76 kPa時(shí)，墻體完全倒塌.

通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)離爆炸中心越遠(yuǎn)，壓力峰值越小，而且減小得非常迅速，測(cè)點(diǎn)2，3，4，5，6的壓力峰值大約只有測(cè)點(diǎn)1的1/5.從圖4可見(jiàn)各測(cè)點(diǎn)的超壓峰值均大于1 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于76 kPa，因此砌體填充墻在20磅的TNT當(dāng)量箱包炸彈爆炸荷載作用下會(huì)完全倒塌.

3.2各砌體墻破壞模式演變

了解砌體填充墻的破壞模式可以對(duì)砌體墻的抗爆設(shè)計(jì)及加固設(shè)計(jì)提供有益建議.

3.2.124墻破壞模式

從圖5可見(jiàn)，砌體墻底部對(duì)稱(chēng)軸灰縫部位首先表現(xiàn)出塑性，并以圓形迅速向上和向兩側(cè)擴(kuò)展.底部砌塊首先出現(xiàn)失效破壞，然后破壞部位從底部向上部發(fā)展，且主要表現(xiàn)為水平灰縫失效破壞.從最終的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)破壞部位主要集中在中下部，而上部破壞相對(duì)較輕.

3.2.2加固24墻破壞模式

從圖6可見(jiàn)，砌體墻底部對(duì)稱(chēng)軸處水平灰縫處首先表現(xiàn)出塑性，并迅速向上部和兩側(cè)擴(kuò)展.下部零星分散豎直灰縫首先失效，砌體底部約束部位砌體失效，失效水平灰縫從底部向上部和兩側(cè)迅速發(fā)展.最終破壞部位也主要集中在中下部，上部破壞相對(duì)較輕.

3.2.312墻破壞模式

從圖7可見(jiàn)，砌體墻首先會(huì)在底部對(duì)稱(chēng)軸部位表現(xiàn)出塑性，并以圓形迅速向上和向兩側(cè)擴(kuò)展.然后出現(xiàn)失效的是砌體底部被約束砌塊及約三分之一高度處砌塊，接著大量水平灰縫失效破壞出現(xiàn)在中部及上部，并在靠近兩墻邊出現(xiàn)兩條豎直通縫.最終破壞最嚴(yán)重的部位主要分布在砌體墻下部三分之一處.

通過(guò)以上各砌體墻的破壞模式演變可知3種砌體墻在手提箱包炸彈的爆炸荷載作用下，破壞模式大體一致，不同的只是破壞程度的輕重.

3.3各砌體墻砌塊拋射速度及位移時(shí)程曲線

了解砌體墻在近距離爆炸荷載作用下碎塊拋射速度規(guī)律，能更好地防范爆炸破壞作用和調(diào)查爆炸恐怖案件.

通過(guò)圖8可知：加固24墻的位移時(shí)程曲線圖中，最下部的測(cè)點(diǎn)7呈現(xiàn)出明顯的非線性，而12墻及24墻各測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線基本是線性關(guān)系.大部分測(cè)點(diǎn)拋射速度在1.0 ms之前達(dá)到峰值，有些測(cè)點(diǎn)（如測(cè)點(diǎn)8，11，12）達(dá)到峰值拋射速度較晚，但在1 ms時(shí)達(dá)到的拋射速度也比較接近峰值.測(cè)點(diǎn)達(dá)到速度峰值后均有小幅度的回落，然后趨于穩(wěn)定.因此本文取4～10 ms的平均速度來(lái)代表各測(cè)點(diǎn)的拋射速度.

由于各測(cè)點(diǎn)的比例距離不同，各測(cè)點(diǎn)的拋射速度也不同.通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得出各砌體填充墻在近距離爆炸下的拋射速度與比例距離的關(guān)系，具體情況見(jiàn)圖9及表4.

通過(guò)圖9可以發(fā)現(xiàn)砌體墻各測(cè)點(diǎn)拋射速度與比例距離關(guān)系曲線與比例距離與超壓峰值的關(guān)系曲線大體輪廓比較吻合，此外比例距離與拋射速度的具體擬合關(guān)系見(jiàn)表4.

通過(guò)圖10，可以發(fā)現(xiàn)3種砌體墻表現(xiàn)出的峰值拋射速度的不同之處：24墻及加固24墻相較于12墻各部位峰值拋射速度均有所降低，墻體頂部和底部降低的多，中間降低的少.此外可以發(fā)現(xiàn)12墻較24墻各相對(duì)應(yīng)的部位峰值拋射速度出現(xiàn)時(shí)間要滯后一些.加固24墻較24墻下部峰值拋射速度有稍微增大，其他部位差異很小.

3.4砌體墻最大位移對(duì)比分析

通過(guò)表5可以發(fā)現(xiàn)在相同的時(shí)刻24墻及加固24墻相較于12墻最大出墻面位移（碎塊最大出墻面位移）均有大幅度的減小.此外加固24墻相較于24墻初期位移相當(dāng)；但是隨著位移的變大，最大位移比越來(lái)越小，由初期的0.91變?yōu)?.65，且位移增幅逐漸變小，說(shuō)明PU加固膜逐漸發(fā)揮效力.

4結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得到如下結(jié)論：

1）在近距離手提箱包炸彈爆炸荷載作用下，12墻，24墻均表現(xiàn)出較明顯的脆性并倒塌，且砌體填充墻的下部破壞較為嚴(yán)重，因此應(yīng)對(duì)砌體墻的下部予以特殊加強(qiáng).此外下部碎塊的拋射速度較高，會(huì)給建筑使用者生命安全帶來(lái)較大威脅.加固24墻也會(huì)倒塌，但是由于加固膜的兜裹作用，高速拋射碎塊會(huì)被兜住，因此能較大程度的減輕碎塊拋射帶來(lái)的威脅.

2）加固24墻和24墻相比，在砌塊峰值拋射速度方面除下部有一定幅度的增大，其他部位基本相同；此外中部砌塊拋射速度峰值出現(xiàn)時(shí)間有一定程度的提前，而下部及頂部砌塊拋射速度峰值出現(xiàn)時(shí)間則有所滯后.

3）無(wú)論是12墻還是24墻，在手提箱包炸彈的爆炸荷載作用下，從碎塊的拋射速度來(lái)看，其碎塊的拋射速度均能對(duì)建筑使用者帶來(lái)較嚴(yán)重的傷害.通過(guò)延長(zhǎng)分析時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)加固24墻的最大出墻面位移在初期與24墻相當(dāng)，但是隨著出墻面位移的增大，加固膜逐漸發(fā)揮效力，可以較大程度的減小最大出墻面位移，因此其對(duì)減輕人員傷亡有較大幫助.

4）通過(guò)擬合各測(cè)點(diǎn)拋射速度和比例距離得到關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)其大致輪廓與比例距離與峰值超壓關(guān)系曲線大致輪廓比較吻合，且當(dāng)比例距離大于0.6以后，碎塊拋射速度隨比例距離的變化幅度較小.

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