阿 帥 磊

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京　210001)

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開口對內爆炸荷載分布的影響研究

阿 帥 磊

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京210001)

摘要：采用LS-ANSYS程序，對不同長寬高比的矩形房間內爆炸進行數值模擬分析，對比了不同矩形房間內爆炸下房間內部超壓曲線，從開口面積、位置、形狀、房間尺寸四方面，研究了開口對內爆炸下房間內荷載的影響作用，得出了一些有價值的結論。

關鍵詞：內爆炸，荷載，房間，開口位置

0引言

隨著當代國際形勢的變化以及精確制導武器、便攜式炸藥的發(fā)展，建筑內爆炸事件時有發(fā)生。由于內爆炸對建筑內部巨大的破壞力，戰(zhàn)爭中對重要軍事設施的打擊、恐怖活動等都越來越多的側重于建筑內爆炸。伊拉克戰(zhàn)爭、英阿馬島戰(zhàn)爭中多次使用精確制導導彈直接侵入對方重要目標內爆炸，對目標造成致命的打擊；我國南聯(lián)盟大使館也曾遭導彈直接侵入主體建筑內部。由于民族宗教信仰的差異，恐怖活動成為當今世界和平的一大障礙，恐怖活動多發(fā)生在傳統(tǒng)戰(zhàn)亂、沖突的地區(qū)，襲擊目標多為地鐵、大型商場、居民地以及具有政治性質的建筑，如9·11事件、莫斯科地鐵爆炸事件等。隨著公共場所管控力度的加大，恐怖分子正將目標轉向居民地、學校等人口密集的場所，居民住房、工作場所、教室等場所內爆炸問題的研究越來越迫切。

為研究內爆炸下結構內部荷載分布和破壞形態(tài)，國內外學者進行了大量的分析研究[1-7]。美國水道實驗站編寫的TM-851認為開口影響內爆炸荷載的因素主要是開口總面積與結構總面積的比值。二十世紀七八十年代Baker總結了當前的研究成果，總結出開口面積對內爆炸的泄爆影響。國內，姚元文對全密閉、半密閉空間內爆炸做了數值模擬計算，對大小比例距離處的正反射沖擊波超壓做了對比，并對開口的泄爆作用做了研究。鄔玉斌對地下建筑和隧道內爆炸做了數值模擬計算，分析得出了內爆炸反射峰值超壓和沖量的分布規(guī)律和衰減規(guī)律。Edri等對含有開口的方形密閉結構內爆炸做了實驗，通過實驗得出炸藥內爆炸的超壓分布規(guī)律，實驗結果與UFC規(guī)范吻合較好。Tian等對立方形密閉空間內爆炸進行數值模擬，通過對數值模擬超壓分布規(guī)律的數據庫的分析確立了通過插值算法計算內爆炸超壓的方法，并用實例驗證了此方法的可行性。黃雪峰等在對艦艇組合艙室內爆炸毀傷效應研究時,分析了艙室結構破壞的先后順序，研究說明破口的擴張與延伸對整個結構的破壞作用。吳彥捷通過數值模擬研究了單層柱殼結構開洞對泄爆的影響，考慮泄爆效果與結構整體強度的情況下提出泄爆口位置、數量相關的泄爆措施。孫坤林等對有無填充墻的框架結構內爆炸做了實驗和數值模擬計算，通過兩種結構內沖擊波超壓的對比分析了填充墻對框架結構內爆炸荷載的加強效果。從上述研究成果可以看出，開口對房間內爆炸荷載分布影響的研究不夠充分，只是針對具體工程，不具有普適性。針對此問題，開口對內爆炸的血爆炸影響還需進一步研究。

以TNT炸藥在普通住房內爆炸為研究背景，對房間內不同大小、形狀、位置的開口對內爆炸荷載的影響進行數值模擬分析。出于對內爆炸荷載分布規(guī)律的考慮，本文選取典型參考點進行對比，通過對比得出開口這一因素對內爆炸荷載的影響。

1有限元模型

1.1炸藥、房間尺寸選取

為了做有效的對比，本文房間尺寸選取3.6 m×3.6 m×3.6 m，3.6 m×3.6 m×5.4 m，3.6 m×3.6 m×7.2 m，3.6 m×3.6 m×10.8 m，3.6 m×5.4 m×7.2 m；開口尺寸定位50 cm×50 cm，100 cm×100 cm，150 cm×150 cm，200 cm×200 cm，250 cm×250 cm，300 cm×300 cm，360 cm×360 cm(研究開口大小的影響)。為了研究開口形狀和位置對內爆炸的影響，對面積為2 250 cm2的開口進行長寬比和所處位置的改變。根據人所能攜帶的炸藥量，本文選取24 cm×24 cm×24 cm的立方體TNT炸藥，炸藥位于房間中心。

1.2材料模型

本文模擬過程不考慮結構形變或破壞，故可將墻體當作剛體。模型中墻體定義為反射邊界，開口定義為無反射邊界?？諝獠捎肕at-Null材料模型和Linear-Polynomial狀態(tài)方程：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E。

炸藥為TNT烈性炸藥，炸藥采用High-Explosive-Burn材料模型(密度為1 293 kg/m3，初始速度為6.93 km/s，CJ壓力為0.27)和JWL狀態(tài)方程：

其中，A，B，R1，R2，ω均為參數，A=3.74，B=0.032 3，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3；E0，V0分別為初始內能和初始相對體積，E0=0.07，V0=1。

2不同大小開口對內爆炸荷載的影響

以邊長為3.6 m的正方體房間內爆炸為研究對象，開口位置設在面中心，為減少計算量，考慮對稱性取1/4模型進行計算。分別對A點～F點(如圖1所示)超壓荷載隨時間的變化規(guī)律進行跟蹤分析，得到同一位置不同開口處的P—T曲線(如圖2所示)。

圖1中A點～C點為接近開口處點的超壓曲線，從圖中可以看出，開口對于附近的點影響較大，開口越大超壓峰值就越小，開口的大小影響第一個峰值的大小，不會影響超壓到達時間，對后續(xù)峰值的到達時間和峰值都會有影響，這是由于開口的泄壓作用使房間內壓力降低，速度也隨之減小。A點位于房間墻面中心，第一個超壓峰值與開口無關，但隨后的峰值相差較大，由于A點位于開口處，沒有反射超壓，隨后的超壓是房間內超壓不斷反射引起的，由于房間內反射的無規(guī)律性導致A點后續(xù)壓力的雜亂性，但開口對于A點的后續(xù)波到達時間具有決定性；B，C兩點分別為房間梁柱的中點和角點，對比B，C點360 cm開口的超壓荷載與其他尺寸開口的超壓荷載可以看出：房間整個面的缺失使這個面峰值壓力減小很大，約為小開口的1/4～1/3，與300 cm的大開口相比也相當于其1/3，后續(xù)波也趨近于0，可見整個面開洞的泄爆作用最好，此結論與孫坤林等對填充墻的影響研究結論相似；為驗證開口尺寸對C點的精確影響，對開口邊長為60 cm，80 cm，90 cm的模型進行模擬分析，經對比發(fā)現：C點60 cm～300 cm開口的首個峰值壓力基本相同?？赏茢喑觯寒旈_口面積大于墻面面積的1/6時房間角點處最大超壓峰值基本相同。

對比D，E，F三點的超壓荷載發(fā)現：開口對遠離開口面上的超壓值影響不大，D，E，F點前兩個峰值超壓相同，開口影響的是第三個峰值以及準靜態(tài)壓力的大小。開口越大，第三個峰值超壓到達的時間越遲，峰值壓力也越小。

通過對比不同大小開口的房間內爆炸超壓荷載可以看出，開口尺寸對靠近開口處影響較大，直接影響峰值壓力的大小。隨著開口的增大，峰值減小的幅度降低，但當整個面開通后，峰值壓力驟降，越靠近角點處，驟降的幅度越大，原因是角點處大超壓是多個面反射超壓匯聚引起的，整個面的缺失導致超壓匯聚效果下降。遠離開口面的各點受開口影響較小，后續(xù)波形的差異主要是不同開口的泄爆使房間內總能量降低程度不同，導致第三個峰值和準靜態(tài)壓力的差異。

3不同位置開口對內爆炸荷載的影響分析

內爆炸超壓分布的極度不均勻導致不同位置開口的泄爆作用也不同。為研究開口位置對內爆炸荷載的影響，對房間不同位置開口(開口尺寸選取150 cm×150 cm)，開口中心位置見圖3,對圖3所示的角點處超壓荷載進行對比(見圖4)。

圖中可以看出，A點受開口位置的影響最大，C，D點受開口位置的影響較小。通過A，B兩點的曲線可以看出：由于角點處匯聚超壓的泄露，在一定距離內角點的超壓峰值隨開口距離的減小而減小；對于對稱的房間內，開口一側沖擊波能量的泄露不會造成另一側超壓峰值的減小，但對超壓的衰減速度和后續(xù)的超壓波動影響，開口離角點越遠，第二個超壓峰值就越大。由于位置1，2使區(qū)域3，4含有開口，故C，D點曲線中位置1，2的峰值較其他位置的峰值小。

當開口不在墻面中心時，E，G兩點的峰值超壓較墻面中心開口時小，其中E點減小了45%以上，G點也減小30%以上，但其他四個位置上的開口，E，G兩點超壓峰值相差并不大。F，H點在位置2開口時的超壓峰值較其他位置開口小了約40%，其他角點大致相同。從中可以看出：當開口位于位置1和位置2時，開口相對面上角點的后續(xù)波動較其他位置小；當開口位于位置2時，開口相對面上峰值超壓較位置1時小。因此可以得出結論：開口位置設在位置2時對開口相對面上的超壓有減小作用。

通過對不同位置開口的房間內荷載分布的分析可以得到：

1)對稱結構中，只要對稱面一側的區(qū)域無開口，此區(qū)域處超壓峰值就不受開口的影響；存在開口的區(qū)域，角點峰值超壓隨開口距離的減小而減小。

2)開口位置不在面中心點時，與開口相對面上角點超壓峰值明顯減小，減小的幅度與開口的具體位置關系不大。

3)當開口位置在偏于墻面中心卻不與邊接觸時，離開口較遠處角點超壓峰值明顯減小。不同位置開口下超壓—時間曲線如圖5所示。

4結語

從開口大小、形狀、位置3個方面對開口的影響作用進行了數值模擬分析。經過分析可以得到：

1)當開口面積大于墻面面積的1/6時，開口附近角點處最大峰值超壓基本相同，受開口面積的影響很小，但整面墻的缺失對缺口附近超壓的降低程度最大。

2)對于形狀對稱的房間，對稱面一側的開口對另一側區(qū)域的超壓峰值無影響。長寬相同的面上，離開口的距離越近，角點處的超壓峰值越小。

3)形狀的改變只對開口附近的點荷載影響較大，其他位置無變化。

參考文獻:

[1]鄔玉斌.地下結構偶然性內爆炸效應研究.哈爾濱：中國地震局工程力學研究所工學博士學位論文，2011.

[2]姚元文.結構泄壓爆炸的沖擊波特性研究.重慶：重慶大學碩士學位論文，2011.

[3]Edri Z S, Feldgun V R,Karinski Y S,et al.On blast pressure analysis due to a partially confined explosion: Ⅰ. experimental studies. International Journal of Protective Structure,2011,

文章編號：1009-6825(2016)14-0020-03

收稿日期：2016-03-03

作者簡介：阿帥磊(1990- )，男，在讀碩士

中圖分類號：TU312

文獻標識碼：A