泄爆区域设置对内爆作用下RC框架结构破坏的影响*

刘佳伟，李娟,2，庞学港，刘香，丛培宇

(1.内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010；
2.内蒙古科技大学 智能建造与运维工程技术研究中心，内蒙古 包头 014010)

内爆作用下爆炸冲击波对RC框架结构建筑墙体会产生很大的冲击并在墙体后形成环流超压，可能造成建筑物较严重的破坏和人员较大的伤亡.近些年，国内外学者通过试验和数值模拟的方法对高性能材料加固墙体的动力响应和破坏模式[1,2]、爆炸冲击波遇到挡墙时的传播规律[3,4]和爆炸冲击波绕过障碍物的环流情况[5-7]等方面进行了广泛研究.但以上研究大多是针对单片墙体，没有建立填充墙和RC框架结构整体模型，无法考虑RC框架结构中结构构件、维护构件与爆炸冲击波的相互影响.部分学者通过数值模拟的方法已经证明设置加固泄爆组合墙体可以有效减轻内爆作用下RC框架结构的破坏程度[8]，但加固泄爆组合墙体泄爆区域会造成爆炸冲击波传播方式与结构破坏形态的改变.所以采用数值模拟方法，利用ANSYS-LSDYNA有限元软件建立2层L型带有填充墙的RC框架结构模型，对设置不同填充墙泄爆区域的多层RC框架结构破坏形态和压力时程曲线进行分析.研究不同加固泄爆组合墙体泄爆区域的设置对多层RC框架结构内爆冲击波传播方式的影响，从而为RC框架结构的抗爆设计提供有益参考.

1.1 对比试验概况

依据文献[9]中已有爆炸荷载作用下的结构试验进行数值模拟.文献[9]所介绍的框架结构试验模型的L×w×h=750 mm×600 mm×500 mm；
框架柱的截面尺寸均为75 mm×75 mm；
框架梁的截面尺寸均为40 mm×80 mm；
顶板厚30 mm；
墙厚300 mm.炸药采用50 g乳化炸药，爆炸点设置于层间净高一半的位置，试验模型如图1(a)所示.

1.2 材料模型、单元类型及算法

钢筋和混凝土采用整体式建模，选择材料模型的关键字为*MAT_BRITTLE_DAMAGE，该模型可以较好描述高应变率条件下混凝土和砌体的动力响应问题，适用于混凝土框架及砌体填充墙实体单元模型的模拟[10,11].碳纤维布、空气和炸药的材料模型、状态方程、单元类型及单元算法见表1.混凝土材料的失效应变通过关键字*MAT_ADD_EROSION定义.流固耦合[12]通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID来实现.在空气表面施加无反射边界条件来避免边界处冲击波的反射对求解域的影响，同时可以模拟无限大空间.有限元模型如图1(b)所示.

图1 文献中的试验模型与对应的有限元模型(a)试验模型；
(b)有限元模型

1.3 数值模拟结果与试验结果对比分析

数值模拟结果与试验结果构件破坏形态对比如图2～4所示.由图2～4可知，数值模拟的构件破坏形态与试验结果基本一致：顶板呈现弯曲和冲切破坏特征，裂缝沿着板的塑性铰开展，并且存在起拱现象；
梁柱交界处呈现剪切破坏，框架梁沿弱轴方向外翻；
填充墙发生冲切破坏，混凝土呈碎裂状，墙体被抛射出去.

图2 顶板破坏形态对比图(a)试验结果；
(b)数值模拟结果

图3 梁柱节点破坏形态对比图(a)试验结果；
(b)数值模拟结果

图4 墙体破坏形态对比图(a)试验结果；
(b)数值模拟结果

图5为试验与数值模拟中测点P的空气超压时程曲线对比图.由图可知，爆炸冲击荷载在起爆后经过0.2 ms达到峰值，压力上升时间非常短暂.爆炸压力持续时间也非常短暂，经过几个毫秒后，爆炸冲击波逐渐消散，空气压力接近于1个大气压力.试验所得P测点首个压力峰值为3.787 MPa，数值模拟结果的压力峰值为3.581 MPa，两者相差约为5.4%.随着时间的推移，在1.6 ms左右出现第二个波峰，试验结果的第二个超压峰值为0.632 MPa，数值模拟结果的第二个超压峰值为0.753 MPa，两者相差约为16.1%.在考虑冲击波对结构破坏程度的影响时以第一超压峰值为主要判定依据.数值模拟结果测点空气超压时程曲线与试验所得空气超压时程曲线变化趋势基本一致，且峰值点的差值较小，可以满足分析内爆作用下RC框架结构破坏形态的精度要求.

表1 材料模型

图5 测点P空气超压时程曲线对比图

由数值模拟结果与试验结果对比可知，结构构件的破坏形态基本吻合，测点位置空气超压时程曲线变化趋势基本一致且超压峰值点差值较小，故表明本次数值模拟的建模技术和参数选取是合理的.

2.1 模型概况

考虑到计算效率问题，从某实际建筑物中截取局部2层L型RC框架结构，层高均为4.5 m，横向和纵向均为2跨.125 kg TNT炸药放置在建筑物二层角部房间，爆点高度为层间净高的一半.RC框架结构建筑平面、爆炸点位置、房间号和测点位置如图6(a)所示，三维模型如图6(b)所示.混凝土砌块填充墙的内、外墙厚度分别为200 mm，300 mm，砌块的强度等级为B06级，砌筑砂浆强度为M5.0.各构件尺寸、混凝土强度见表2.由于炸药放置在建筑物二层，非炸药所在层墙体存在与否对结构破坏程度的影响较小，所以模型只建立二层墙体.

表2 构件尺寸和砼强度

图6 结构计算模型(a)建筑平面图及炸药位置；
(b)三维模型

2.2 内墙洞口对爆炸冲击波传播和结构破坏形态的影响研究

通过数值模拟计算，爆炸冲击波在内外墙全部设置普通混凝土砌块墙的RC框架结构(模型1)中传播过程如图7.由图可知，1.993 ms时，爆炸冲击波在房间1内由爆炸源向四周扩散.13.194 ms时，爆炸冲击波在内墙洞口处形成射流，扩散到房间2；
无洞口墙体阻挡了爆炸冲击波的传播，没有扩散到房间3.18.194 ms时，爆炸冲击波穿过内墙洞口，在墙体后一段距离处汇聚并不断扩大.40.199 ms时，爆炸冲击波充满房间2，并穿过房间2外侧有洞口墙体向外扩散.由此可知，爆炸冲击波在内墙洞口处传播方式发生改变形成射流，并快速扩散至房间2；
无洞口内墙阻挡了爆炸冲击波的传播，扩散至房间3的时间比扩散至房间2的时间长.

图7 爆炸冲击波的传播(a)t=1.993 ms；
(b)t=13.194 ms；
(c)t=18.194 ms；
(d)t=40.199 ms

通过数值模拟计算，模型1的破坏形态如图8.通过图8可以看出，房间1内存在框架梁跨中和梁柱节点发生严重剪切破坏的现象，楼板完全破坏丧失承载能力.房间1两面外墙与梁柱节点脱离，破坏和变形严重.由于射流作用，房间2中②轴与C轴交汇处柱底出现剪切破坏；
①轴方向的外墙出现较大的水平和竖向裂缝，窗洞口周围墙体破坏严重，出现较多墙体碎片可能造成人员伤亡.房间3内结构构件无明显破坏；
A轴方向的外墙未破坏.由此可知，由于内墙洞口的存在，爆炸冲击波形成射流，造成房间2比房间3破坏严重；
同时由于爆炸冲击波在房间2、房间3传播方式的不同，导致结构构件和维护构件破坏形态有所不同.

图8 模型1RC框架结构破坏形态图(a)结构正立面；
(b)结构背立面

2.3 不同泄爆区域对结构破坏形态的影响研究

已有学者证明加固泄爆组合墙体可以有效减轻爆炸冲击波对结构构件的破坏程度.但设置加固泄爆组合墙体泄爆区域会改变冲击波的传播方式，从而造成结构破坏形态的改变，故在模型1的基础上，将普通混凝土砌块墙替换为加固泄爆组合墙体，并采用2种不同的泄爆区域设置方法，研究加固泄爆组合墙的设置对RC框架结构破坏形态的影响.2种模型见表3.

图9为炸药所在房间两面外墙2.4 m以上设置泄爆区域，其他部分墙体为进行碳纤维布加固的RC框架结构破坏形态图.二层②轴与B轴交汇处框架柱柱底发生剪切破坏，其他框架柱未发生破坏.②～③与C轴框架梁梁柱节点处发生剪切破坏，③轴与BC跨框架梁跨中发生轻微破坏.两面外墙加固区域出现整体外移，有洞口内墙对面房间2的外墙窗口四周出现裂缝，与普通混凝土砌块填充墙模拟结果相比破坏程度明显减轻.

表3 设置不同泄爆区域的模型

图9 模型2RC框架结构破坏形态图(a)结构正立面；
(b)结构背立面

图10为炸药所在房间有洞口内墙及外墙2.4 m以上设置泄爆区域，其他部分墙体为进行碳纤维布加固的RC框架结构破坏形态图.一层②～③与C轴梁柱节点和③轴与BC跨框架梁跨中发生轻微剪切破坏，框架柱未发生剪切破坏，框架主体基本完好.相比于其他2种模型模拟结果，由于有洞口内墙设置的泄爆区域与原有洞口连通，导致内墙洞口处形成的射流对构件的作用明显减轻.

图10 模型3RC框架结构破坏形态图(a)结构正立面；
(b)结构背立面

2.4 RC框架结构压力时程曲线对比分析

在RC框架结构模型中共提取A1，A2和A3，A44个测点，分别分析A1，A2所在房间内部空气压力变化情况和A3，A4所在房间墙体背面环流超压现象.其中测点A1，A2分别位于房间2、房间3中心位置，测点A3，A4分别位于房间1有洞口内墙、无洞口内墙墙体背面中心位置.见图6(a).

2.4.1房间中心位置测点压力时程曲线对比分析

图11和12分别为RC框架结构二层房间2、房间3中心位置测点压力时程曲线图.3种模型中爆炸冲击波均在起爆后大约23 ms到达房间2中心位置，其中模型1峰值压力最大，在27 ms后达到0.79 MPa；
模型3的峰值压力最小，在27 ms后达到0.64 MPa(见图11).

图11 房间2中心位置测点A1压力时程曲线

图12 房间3中心位置测点A2压力时程曲线

模型1中爆炸冲击波到达房间3中心位置时间最短需要54 ms，模型3时间最长需要70 ms；
3种模型中房间3中间位置峰值压力为0.08 ～0.12 MPa之间；
房间2中心位置峰值压力约为房间3的7倍，爆炸冲击波到达房间3中心位置的时间约是房间2的2～3倍(见图12).这是由于房间1与房间2之间为有洞口墙体，从而造成爆炸冲击波的射流作用；
而房间1与房间3之间有完整的内墙阻挡了爆炸冲击波的传播.由此可知爆炸冲击波射流作用对RC框架结构的影响是不容忽视的，所以为了减轻爆炸冲击波的射流作用对相邻房间内结构构件和人员财产的不利影响，在完整的内墙上尽可能不设置泄爆区域.

2.4.2墙体中心位置测点压力时程曲线对比分析

图13～14分别为房间1内墙背面中心位置测点A3，A4的压力时程曲线图.

图13 房间1有洞口内墙中心位置测点A3压力时程曲线

图14 房间1无洞口内墙中心位置测点A4压力时程曲线

通过图13可以看出，模型1中有洞口内墙背面中心位置环流超压最大，且有多个峰值压力出现.模型2有洞口内墙背面中心位置环流超压明显大于模型3的环流超压.这是由于模型3在有洞口内墙上设置的泄爆区域与已有洞口连通，造成墙体环流超压降低，从而减小了爆炸冲击波射流作用对房间2的影响.通过图14可以看出，碳纤维布加固的无洞口内墙比普通墙体承受更高的压且持续时间更长.与墙体中心位置测点A3相比，测点A4到达环流超压峰值时间短，且有多个峰值出现.所以在对RC框架结构进行加固泄爆组合墙体泄爆区域设置时，对完整的内墙尽可能不设置泄爆区域.

(1)RC框架结构在内爆作用下，爆炸冲击波在内墙洞口处形成的射流作用对结构破坏范围大，构件破坏数量多，因此射流作用对RC框架结构破坏程度的影响不容忽视.完整的内墙可以阻挡冲击波的传播而减轻结构的破坏程度，故在无洞口内墙上尽量避免设置泄爆区域.

(2)加固泄爆组合墙体泄爆区域设置建议：多层RC框架结构中设置加固泄爆组合墙体泄爆区域时，泄爆区域首先选择设置在外墙；
若外墙泄爆区域不能满足泄爆要求，优先选择有洞口内墙，内墙泄爆区域应设置在墙体上部，且与已有洞口相连通；
若3面墙体设置泄爆区域尚不满足泄爆要求，对无洞口内墙设置泄爆区域，位置应在墙体上部且不低于2 m，水平贯通时避免形成局部小洞口而造成射流，确保相邻房间人员安全.

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