爆炸壓強在建筑物表面分布的數值模擬★

都 浩 杜榮強

近幾年由于操作失誤或者蓄意破壞所造成的爆炸事故不斷發生，而爆炸對建筑物的損傷與破壞造成了巨大的生命和財產損失，因此對于易于遭受爆炸破壞的建筑物需要進行抗爆設計或加固［1］。在進行建筑物的抗爆設計或加固時，首先需要確定作用在建筑物上的爆炸荷載。但是由于建筑物的外形、尺寸和位置等因素復雜多樣，確定建筑物的爆炸荷載仍然存在很多困難［2-5］。

為了研究爆炸壓強在建筑物表面的分布規律，計算作用在建筑物外部的爆炸荷載，應用非線性顯式有限元分析軟件AUTODYN建立爆炸沖擊波向建筑物傳播的數值分析模型，進而分析建筑物表面爆炸壓強的分布規律。

1 模型描述

炸藥在剛性地面上發生爆炸，爆炸中心至目標建筑物的距離為10 m，炸藥的TNT當量為1 000 kg。建筑物外形為長方體，其尺寸為5 m×10 m×10 m。選取建筑物周圍空氣的尺寸為20 m× 20 m×11 m，假定在初始狀態時建筑物周圍環境中的空氣壓強為一個標準大氣壓強(101.3 kPa)，并且在空氣的邊界上允許空氣的流出［6］。假設建筑物為剛體，采用拉格朗日單元劃分，而空氣則采用歐拉單元進行劃分。根據對稱性，取一半結構應用AUTODYN軟件建立其有限元模型進行數值模擬。

2 建筑物迎爆面的爆炸壓強

位于剛性地面上的炸藥引爆后，產生的爆炸沖擊波迅速傳播到目標建筑物上，由于目標建筑物的反射作用，在建筑物表面產生很大的反射壓強。在建筑物迎爆面上，距地面每隔1 m高度設置一個測點，用于計算爆炸沖擊波的各項參數。圖1給出了這些不同高度位置處測點的壓強隨時間的變化規律，即其壓強時程曲線。從圖1中可以看出，在爆炸沖擊波傳播到建筑物后，由于建筑物表面的反射，其底部壓強迅速達到了近4 MPa的峰值壓強，但爆炸作用的持續時間很短。此外可以看出，不同高度處的壓強時程曲線的外形相近，但各條曲線的峰值壓強和到達時間均不相同。

地面爆炸在建筑物的底部產生了很大的峰值壓強，然而沿著建筑物的高度方向，由于至爆炸中心的距離增大，同時地面反射作用減小，作用在建筑物上的爆炸壓強迅速減小。此外，從建筑物迎爆面不同高度處的峰值壓強的到達時間來看，隨著至爆炸中心的距離的增大，爆炸沖擊波的傳播速度和加速度都在減小，達到峰值壓強所需要的時間也在增加。

3 建筑物側面的爆炸壓強

爆炸沖擊波遇到建筑物后，一部分爆炸沖擊波被反射回來，還有部分沖擊波會繞過建筑物繼續向前傳播，同時發生沖擊波的繞流現象，并且在建筑物的側面也會產生相應的爆炸壓強。

在建筑物的側面，沿建筑物高度方向每隔1 m設置一個測點。位于0 m，5 m和10 m高度處的測點上的壓強時程如圖2所示。從圖2中可以看出，對于傳播到建筑物底部的爆炸沖擊波，其側面的峰值壓強不到400 kPa，僅為其迎爆面峰值壓強的1/10。

此外從圖2中也可以看出，沿著建筑物的高度方向，各測點的壓強時程曲線外形相似，正壓作用時間相近。但是隨著建筑物高度的增大，峰值壓強逐漸減小，達到峰值壓強的所需時間也在增加。在壓強時程曲線上還可看出，由于建筑物與地面的多重反射，壓強產生了多個波峰。

4 建筑物背爆面的爆炸波

爆炸沖擊波除了在建筑物的迎爆面和側面產生壓強以外，還會在建筑物的背爆面產生爆炸壓強。這是因為有一部分爆炸沖擊波從建筑物的側面和頂部繞過建筑物，到達建筑物的后面，從而在建筑物的背爆面產生爆炸沖擊作用。

圖3給出了建筑物背爆面不同高度處的壓強時程曲線。從圖3中可以看出，背爆面的峰值壓強最大值位于頂部，這是由爆炸沖擊波從建筑物頂部繞過之后在背爆面產生的。然而這個峰值壓強不到220 kPa，相比建筑物迎爆面的峰值壓強要小得多。

在圖3中，實線所繪制的曲線表示建筑物背爆面底部的測點上計算得到的壓強時程。從曲線上可以看到兩個峰值，這是因為繞過建筑物側面和繞過頂部的兩部分沖擊波先后到達測點所形成的。此外從建筑物頂部的壓強時程曲線上還可看到較長時間的負壓作用。可見，由于建筑物背爆面存在多個方向的繞流和多重反射，使得其爆炸壓強變得非常復雜。

5 結語

通過對建筑物外表面爆炸壓強的數值模擬，可以得出以下結論：1)AUTODYN軟件可以較好地模擬爆炸沖擊波在建筑物外表面產生的爆炸壓強;2)由于目標建筑物的反射作用，在建筑物的迎爆面將產生很大的反射壓強;3)由于爆炸沖擊波的繞流，建筑物的側面和背爆面也會產生爆炸荷載作用，但這種作用相比建筑物的迎爆面要小得多，而且由于爆炸沖擊波的繞流受到建筑物自身的形狀和尺寸的影響，建筑物側面和背爆面的壓強更為復雜。參考文獻：

［1］ Li Zhongxian，Du Hao，Bao Chunxiao.A review of current researches on blast load effects on building structures in China［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(S1)：35-41.

［2］ Smith Peter D.，Rose Timothy A..Blast wave propagation in city streets-an overview［J］.Progress in Structural Engineering and Materials，2005，8(1)：16-28.

［3］ Remennikov Alex M.，Rose Timothy A..Modelling blast loads on buildings in complex city geometries［J］.Computers＆Structures，2005，83(27)：2197-2205.

［4］ Luccioni B.，Ambrosini D.，Danesi R..Blast load assessment using hydrocodes［J］.Engineering Structures，2006，28(12)：1736-1744.

［5］ Clutter J.Keith，Mathis James T.，Stahl Michael W..Modeling environmental effects in the simulation of explosion events［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34(5)：973-989.

［6］ 都 浩，李忠獻，郝 洪.建筑物外部爆炸超壓荷載的數值 模擬［J］.解放軍理工大學學報，2007，8(5)：413-418.