成層式結構泡沫空心球分配層抗爆性能試驗研究

任新見，張慶明，劉瑞朝

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

成層式結構泡沫空心球分配層抗爆性能試驗研究

任新見1，2，張慶明1，劉瑞朝2

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023）

分別采用黃沙和泡沫空心球為分配層制作不同的成層式工程結構模型，通過大比尺集團裝藥標準試驗、對比試驗和二次爆炸試驗，考察了采用泡沫空心球作分配層時成層式結構的抗爆性能。試驗結果表明，在相同的爆炸荷載作用下，分配層采用泡沫空心球時，成層式結構的防護層破壞比采用黃沙作分配層時嚴重，但分配層下方相同位置的壓力前者遠小于后者；相比傳統成層式結構，新型成層式結構具有更好的防護效果。

泡沫空心球；分配層；成層式結構；防護性能

成層式結構是目前國內外普遍采用的一種防護結構形式，見圖1［1］。覆土層、遮彈層和分配層合稱為防護層。覆土層一般鋪設自然土，對下部結構進行偽裝；遮彈層通常由鋼筋混凝土或塊石構成，確保不被炮、炸彈等兵器穿透，迫使其在遮彈層內爆炸；分配層通常由一層干沙或松散土構成，將沖擊和爆炸荷載分散到較大面積上，使彈丸爆炸后支撐結構頂蓋不受局部破壞作用，同時削弱爆炸引起的震塌，對支撐結構起良好的減震作用。

圖1 典型成層式防護結構示意Fig.1 Sketch of a typical multilayered protective structure

成層式結構比整體式結構在形式上更加合理，更能充分發揮材料的防護作用，自20世紀出現以來，在防護工程建設中得到廣泛應用。近20年來，常規武器向著“深侵徹、大當量和高精度”方向發展，其侵徹能力和爆炸威力不斷提高。為適應這種趨勢，各國科研人員圍繞常規武器的破壞效應、遮彈層和支撐結構的防護能力進行了深入研究，并提出了多種計算和設計方法，但研究重點多集中于增強抗常規武器的侵徹能力，相對忽視了對強爆炸波破壞效應的研究［2－3］，以至于針對分配層的研究較少，利用分配層來提高工程防護能力方面的工作還做得不夠。在大當量鉆地武器的打擊下，即使遮彈層能有效攔截來襲彈藥，分配層厚度仍可能會很大，因此急需采用新的措施，使分配層能在有限厚度內迅速衰減沖擊波，并將爆炸荷載轉移到更大的面積上去。

為了提高地下防護結構在核爆和各種常規武器觸地爆條件下的生存能力，美軍嘗試在分配層中充填多孔、大變形低密度回填材料削弱爆炸引起的應力波及地運動對結構的破壞［4］。美國陸軍水道試驗站研究了采用不同回填材料減緩防護結構爆炸荷載壓力的效果［5－6］，指出具有明顯屈服點并有較大變形能力的彈塑性材料（聚乙烯骨料混凝土、泡沫玻璃、聚氨酯泡沫等）比沒有明顯屈服點但有一定壓縮性的材料（粘土、煤灰等）能更有效吸收沖擊能量。唐德高研究了泡沫混凝土作為地下坑道回填材料的抗爆吸能效果；趙凱［1］研究了分配層為泡沫混凝土時成層式結構對爆炸波的衰減和彌散作用。泡沫材料高而長的應力屈服平臺決定了它優良的吸能特性，工程防護是其主要用途之一，現階段的研究熱點集中于泡沫金屬領域［7－8］；但因其自身強度不高，爆炸等強動載作用下易發生斷裂，故不適于單獨作為抗沖擊防護結構［9］。

薄壁殼體結構作為緩沖、吸能元件是近年來防護設計的一個新思路，圓管、圓環和球殼都是有效的能量吸收元件。宋宏偉等［10－11］將泡沫材料與薄壁殼體結構相結合，獲得了較好吸能效果。泡沫材料與薄壁結構結合后，在吸能方面的一個重要現象是相互作用效應，即復合結構的吸能效果大于相同加載條件下獨立的泡沫材料和薄壁結構的吸能效果之和；此外，在承受沖擊波荷載時，由于殼間空穴對應力波的繞射和隔離效應，在進一步減輕材料重量的同時，大大增強了材料對波的彌散和衰減，而殼體的高韌性也提高了材料的強度。

泡沫與薄殼復合結構具有泡沫材料和薄殼結構的雙重優勢，在吸能耗能和衰減應力波等方面效果突出且具有較高性價比，有望在工程防護領域內得到廣泛應用，值得進一步深入研究；但目前其主要研究對象多限于試驗室中的試件和構件，加載方式多是靜載或穩態的諧波荷載［12－13］，難以將其推廣到爆炸等強動載作用下大尺度的防護結構設計。這里將泡沫空心球材料應用于成層式防護結構的分配層，進行大比尺野外化爆相似模擬試驗，研究采用泡沫空心球作分配層的成層式結構對爆炸波的衰減效果。

1 試驗設計

為了分析、檢驗采用泡沫空心球材料作分配層的成層式結構的防護性能，并考察泡沫空心球在重復荷載作用下的吸能特性，設計開展三類化爆試驗，共計7炮次。試驗的具體設計說明見表1。

采用相似模擬試驗，縮尺比取1∶4，試驗模型中與原型結構對應的覆土層、遮彈層、分配層和頂板的厚度依次分別為25、30、30和30 cm。模型平面尺寸按邊長180 cm的正方形考慮。忽略動荷載對工程主體結構頂部的耦合作用，因此頂板頂面以下按自由場（半無限大土介質）考慮。遮彈層采用C40混凝土（鋼纖維摻量1%），內設上下兩層鋼筋網，鋼筋直徑10 mm，網眼20 cm×20 cm，上下兩層配筋間采用Φ6.5箍筋聯系。標準試驗采用顆粒級配屬Ⅱ區的Ⅱ類天然中沙（細度模數2.3～3.0，密度ρ＝2.65 g／cm3）作分配層，對比試驗采用泡沫空心球作分配層。泡沫空心球直徑6 cm，壁厚1.5 cm，基體材料為硬質聚氨酯泡沫（密度ρ＝0.23 g／cm3，準靜態下屈服應力σs＝3.9 MPa），實物見圖2。

表1 化爆試驗設計說明Tab.1 Explanation on blast tests

圖2 泡沫空心球實物Fig.2 Photos of hollow foam spheres

試驗模擬1 000磅普通爆破航彈的爆炸，由于模型縮尺比CL＝1∶4，裝藥量的相似系數CQ＝CL3＝1∶64，裝藥的TNT當量系數為1.35，故集團裝藥試驗的計算藥量約為4.75 kgTNT。試驗幾何尺寸、裝藥及測點布置見圖3。

圖3 試驗幾何尺寸、裝藥及測點布置Fig.3 Sketch of blast tests

試驗時放大儀器采用總參工程兵科研三所研制的YBF－3型寬帶應變放大器，數據記錄儀選用四川實時信號研究所生產的TST3406瞬態數據采集儀，見圖4。

圖4 測試設備實物Fig.4 Measurement devices

2 試驗結果及分析

試驗顯示，以泡沫空心球作分配層的新型成層式結構與以黃沙作分配層的標準成層式結構在宏觀破壞形態與測試結果方面均存在顯著差異。

2.1 破壞形態

炸藥引爆后，標準成層式結構覆土層形成明顯漏斗坑，直徑約140 cm，坑邊緣距試件表面約30 cm，土體破碎、拋擲嚴重，見圖5（a）。遮彈層試件正面形成直徑約90 cm漏斗坑，坑深約1 cm，其中漏斗坑中心（即裝藥與混凝土板接觸部位）完全碎裂，坑深約3 cm。沿漏斗坑周圍形成12條徑向主裂紋，最大寬度約5 mm，最小寬度約2 mm，見圖5（b）。在試件翻身起吊過程中，試件中碎裂部分與試件分離，裝藥接觸部分鋼筋完全暴露。試件背面龜裂明顯，密布網狀裂縫，裂縫最大寬度約2 cm，最小寬度約0.5 cm，見圖5（c）。

圖5 標準試驗覆土層與遮彈層破壞形態Fig.5 Damage status of samples after the standard test

試驗對象為采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結構時，引爆后覆土層漏斗坑直徑約120 cm，明顯小于標準試驗的漏斗坑直徑；坑邊緣距試件表面高度約20 cm，接近覆土層初始高度，小于標準試驗；漏斗坑周圍被夯實的土體爆炸后完全破碎成塊，完整性差。遮彈層試件正面漏斗坑清晰可見，如圖6（a），坑直徑約110 cm，深度約5 cm，尺寸明顯大于標準試驗。坑中心混凝土與鋼筋網失去粘接力，在試件翻身起吊過程中自然脫落，試件上下表面貫穿。試件背面混凝土大面積崩落，滿布輻射狀裂縫，寬度在1～3 cm之間，鋼筋網暴露明顯。分配層中泡沫空心球材料部分破碎，坑中心附近（即裝藥正下方）破碎尤為嚴重，如圖6（b）。

圖6 對比試驗遮彈層與分配層破壞形態Fig.6 Damage status of samples after the contrast test

在對比試驗的基礎上，對采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結構進行二次爆炸試驗。二次爆炸作用后，覆土層漏斗坑直徑與深度與一次爆炸時相比未有明顯增加。遮彈層試件正面形成直徑約130 cm漏斗坑，坑深約5 cm；生成徑向裂縫17道，裂縫寬度為3～5 mm不等，沿厚度方向貫穿混凝土試件，見圖7 （a）。坑內混凝土完全粉碎，在試件起吊過程中自然脫落，堆積于坑底，高約20 cm。試件背面被完全貫穿，貫穿面積與正面漏斗坑面積基本相當；鋼筋網向外凸出，翹曲變形嚴重；貫穿孔周圍密布輻射狀徑向裂縫，長度延伸至試件幾何邊緣，見圖7（b）。分配層中泡沫空心球破壞嚴重，坑中心附近幾乎完全破碎，見圖7（c）。

圖7 重復爆炸試驗遮彈層與分配層破壞形態Fig.7 Damage status of samples after the repeated blast test

比較標準試驗和對比試驗試件的破壞形態可知，標準試驗中覆土層漏斗坑直徑、深度均大于對比試驗，但遮彈層試件表層漏斗坑直徑、深度均小于后者。對比試驗中，試件表層夯實土體與試驗坑周邊土體試驗前為一整體，但試驗后二者發生明顯錯層，試件整體發生豎直向下位移。

標準試驗中遮彈層試件背面破壞以破裂為主，混凝土仍附著于鋼筋網，試件仍具一定整體性；而對比試驗、重復爆炸試驗中試件裝藥正下方均被貫穿，試件背面發生大面積崩落，裂縫的寬度和深度普遍大于標準試驗，即對比試驗、重復爆炸試驗中遮彈層試件的變形和破壞程度均大于標準試驗。

在受到二次爆炸作用后，覆土層漏斗坑直徑與深度并未在對比試驗的基礎上明顯增加，但試件和泡沫空心球材料的破壞程度均比對比試驗要嚴重。

2.2 壓力衰減

作用在結構上的沖擊波峰值壓力是結構抗爆設計的主要參考指標。因此，這里主要對比分析試驗結果中各測點的峰值壓力，從而推定采用泡沫空心球作分配層是否比黃沙具有更好的防護性能。

圖8 標準試驗第1炮測點S6波形Fig.8Waveform at Gauge 6 in the No.1 standard test

標準試驗第1炮由于采集設備的問題測試結果不理想（所測典型波形如圖8所示），后續試驗中更換了瞬態采集儀予以彌補；但由于各類試驗總共進行7次，每次試驗中又有少數傳感器未能采集到有效信號，因此試驗得到的有效數據偏少，不能進行工程經驗公式的擬合，但仍能定性看出不同形式成層結構對爆炸荷載衰減效果的優劣。以測點S2為例，不同試驗條件下該測點的土壓力波形見圖9。

由表2可知，相同位置處對比試驗的峰值壓力遠小于標準試驗（僅為后者的25%～50%，且衰減程度隨著爆心距的增加而增加）；即便是在二次爆炸的情況下，對比試驗的壓力值仍明顯小于標準試驗（約為后者的60%～70%）。泡沫空心球對爆炸峰值應力的衰減效果明顯優于黃沙。

圖9 測點S2土壓力波形對比Fig.9 Waveform comparison at Gauge 2

表2 主要測點峰值土壓力對比Tab.2 Peak pressure value comparison amongmain gauges in the soil

3 夾芯防護結構抗爆效能模擬

圖10是與試驗對應的數值計算模型（根據對稱性，僅制作四分之一模型）。4.8 kgTNT炸藥埋設于覆土層中，在遮彈層頂面中心爆炸。分配層下方是90 cm厚黃土層，通過在其底部施加透射邊界來模擬半無限大土場。劃分八面體網格，模型側面施加透射邊界。炸藥采用歐拉網格，通過流固耦合算法與結構發生相互作用。

泡沫空心球根據實際尺寸構建直徑6 cm，壁厚1.5 cm的空心球殼，基體使用低密度泡沫材料模型；TNT采用高爆炸藥燃燒模型和JWL狀態方程，沙采用帽蓋模型，遮彈層采用HJC修正模型并設定單元侵蝕準則，覆土層和自由土場中土體采用Drucker-Prager強度準則。

圖10 分配層抗爆性能數值分析模型Fig.10 Numerical analysismodel on anti-detonation property of distribution layer

圖11～圖12為峰值應力衰減規律的數值模擬結果。由圖可知，采用泡沫空心球作分配層時，數值模擬得到的各監測點應力峰值比試驗實測值偏小（但誤差小于30%）。這主要是由于試驗時分配層中空心球自然堆砌而成，而數值模擬中難以實現自然堆砌的建模，是按照圖10（b）所示按球切點為立方體順序堆砌的，所以造成堆砌孔隙比試驗時要大。而從整體的衰減趨勢上，數值模擬結果與試驗結果相符合，驗證了泡沫空心球材料的強消波吸能特性，同時也驗證了泡沫材料孔隙率越高吸能效果越顯著的特征。考慮到數值計算本身的難度，如涉及爆轟產物與多種介質間的耦合作用、現場試驗的復雜性及測試結果自身的誤差和分散性等，這樣的計算結果應該說達到了數值模擬的要求。

圖11 峰值應力隨埋深衰減規律數值結果Fig.11 Numerical resultsof peak stress versus embedded depth

圖12 峰值應力水平衰減規律數值結果Fig.12 Numerical results of peak stress versushorizontal distance

4 結 論

通過集團裝藥爆炸加載條件下的大比尺相似模擬試驗研究，可以得出以下結論：

（1）成層式工程防護結構采用泡沫空心球作分配層后，相同藥量條件下遮彈層變形與破壞程度大于使用黃沙作分配層的結構。

（2）泡沫空心球作分配層時，結構對爆炸波峰值壓力的衰減效果明顯優于黃沙作分配層的結構；對于相同位置，前者所測壓力數據均遠小于后者。采用泡沫空心球作分配層的新型成層式結構防護性能比傳統成層式結構優越。

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Tests for anti-blast performance of layered structures
w ith hollow foam spheres as distribution layers

REN Xin-jian1，2，ZHANGQing-ming1，LIU Rui-chao2

（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.The Third Engineer Scientific Research Institute，the Headquarter of the General Staff，Luoyang 471023，China）

Different layered model structures of protective engineering were constructed，their distribution layers weremade with sand or hollow foam spheres，respectively.The anti-blast performance of the layered structurewith hollow foam spheres as distribution layerswas studied using standard tests，contrast tests and repeated anti-blast testswith a big scale and group charge.The results showed that the protective layer is damagedmore seriouslywith hollow foam spheres as distribution layers than it does with sand as distribution layers，but the former's pressure at the same position under distribution layer is far less than the latter's；compared with the latter which is the traditional structure，the new style layered structure with hollow foam spheres as distribution layers has a better protective property.

hollow foam sphere；distribution layer；layered structure；protective property

O383

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.018

國家自然科學基金（U1404107）

2014－01－20 修改稿收到日期：2014－11－11

任新見男，博士生，助理研究員，1979年生

張慶明男，博士，教授，1965年生