泡沫鋁防護鋼筋混凝土板的抗爆性能

高海瑩,劉中憲,楊燁凱,吳成清,耿佳瑩

(1.天津城建大學天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津 300384;2.天津大學建筑工程學院,天津 300072;3.悉尼科技大學,澳大利亞 悉尼 2007)

近年來爆炸事故和恐怖襲擊等突發事件頻繁發生造成了惡劣的社會影響。因此，如何防護建筑結構在爆炸荷載作用下的破壞，最大程度地降低生命財產損失，引起了眾多學者的關注。泡沫層常用作防護層，通過犧牲自身結構特性來保護結構、設備等免受爆炸和沖擊的破壞[1]。泡沫鋁具有自重輕、造價低、可循環利用及減震吸能性良好等優點，因此可以將其應用到混凝土結構的抗爆減爆方面。很多學者針對泡沫鋁的動態沖擊特性進行了理論分析、實驗研究與數值模擬研究[2-6]。王永剛等[7]通過實驗和數值模擬對泡沫鋁中沖擊波傳播特性進行了研究，認為泡沫鋁的本構黏性效應是導致沖擊波被吸收和彌散的主要原因。邊小華等[8]利用有限元軟件對坑道中有、無泡沫鋁緩沖層兩種情況進行了數值模擬，比較了空氣單元沖擊波峰值，發現泡沫鋁有利于爆炸沖擊波的衰減。袁林等[9]對含泡沫鋁防護層RC板在5 kg Pentolite炸藥空氣爆炸下的動力響應進行了數值模擬，發現在一定厚度范圍內，泡沫鋁防護層厚度越大，其防護效果越好，而當超過此范圍后，泡沫鋁厚度變化對爆炸沖擊波的衰減效果不再明顯。王曦浩等[10]通過對鋼板夾泡沫鋁組合板進行接觸爆炸實驗和模擬研究，發現適當增大泡沫鋁夾芯層厚度可提高其組合板的抗爆性能。Dong等[11]開展實驗和數值模擬對鋼筋混凝土和泡沫鋁夾芯板在爆炸載荷下的動態行為進行了研究。Li等[12]通過實驗和有限元模擬對具有密度梯度的蜂窩鋁金屬夾芯板在爆炸荷載下的動力響應進行了研究，發現相對密度遞減的結構具有更好的抗爆性。另外，一些學者對分層梯度泡沫金屬的力學性能及閉孔泡沫鋁的能量吸收方面做了大量的研究[13-15]。目前關于在爆炸荷載下多層泡沫鋁的動態響應研究較少，因此，本文中首先通過設置不同泡沫鋁防護層RC板的室外爆炸實驗，進一步驗證泡沫鋁對結構構件優異的抗爆防護性能，并分析不同密度分布的泡沫鋁防護層對RC板抗爆性能的影響；然后運用LS-DYNA軟件建立含泡沫鋁防護層的RC板三維有限元模型，并通過與實驗數據對比驗證所建立模型的有效性，進而進行參數化分析，對含泡沫鋁防護層的RC板與普通RC板的抗爆性能進行研究，分析泡沫鋁防護層密度梯度、RC板配筋率對RC板抗爆性能的影響，以期研究結果能夠為泡沫鋁防護層在工程結構抗爆方面的推廣應用提供一定的理論參考。

1 爆炸實驗

1.1 試件設計

實驗共制作5塊RC板，其尺寸均為2 000 mm×800 mm×120 mm，混凝土強度等級為C35，鋼筋強度等級為HRB335，鋼筋采用雙層雙向布筋，其中縱向鋼筋直徑為12 mm，間距為95 mm，橫向鋼筋直徑為10 mm，間距為196 mm,如圖1所示。泡沫鋁防護板的尺寸為2 000 mm×800 mm×80 mm，不同型號泡沫鋁板所對應的試件編號以及泡沫鋁板的密度分布情況見表1、圖2。由于泡沫鋁材料含有孔洞，承受直接爆炸載荷作用會使防護層受力不均勻[16]，所以在泡沫鋁板上層粘貼1.1 mm厚的鋼制薄板。鋼板、泡沫鋁板、RC板之間均通過環氧樹脂粘結，如圖3所示。

圖1 混凝土板尺寸及鋼筋布置(單位為mm)Fig.1 Size of RC slab and reinforcement layout in it (uint in mm)

圖2 泡沫鋁分層示意圖Fig.2 Configuration of graded aluminum foam

表1 試件編號及密度分布Table 1 Number of test specimens and their density distribution

圖5 爆炸波壓力時程曲線Fig.5 Pressure-time curves of blast

1.2 實驗設置

本實驗采用8 kg TNT炸藥，直徑為225 mm，高度為120 mm，炸藥垂直懸掛距鐵板中心1.5 m處。支座由凹槽形鋼板組成，并通過高強螺栓將試件短邊固定，如圖4所示。為測得爆炸荷載作用下的壓力時程曲線，澆筑前在試件板的跨中預留圓柱形孔洞，并放置壓力傳感器。試件背爆面位移計布置見圖1，其中LVDT為位移傳感器。

1.3 實驗結果及分析

在爆炸荷載作用下，由壓力傳感器測得的壓力時程曲線如圖5所示。LS-DYNA中爆炸載荷所采用的CONWEP算法是基于UFC (unified facilities criteria)的，參照文獻[17]計算得到的峰值壓力為11.72 MPa，持時為0.67 ms，而實測值分別為11.36 MPa和0.51 ms，峰值超壓計算值與實測值相差3.2%，差距較小。

由于爆炸沖擊波強度較高，部分LVDT損壞，未能測得完整的實驗數據。雖然試件NF3、NF5的位移曲線不完整，但是仍然可以看出爆炸過程中的位移峰值。為使各試件實驗結果對比更清晰，截取0.10 s以前的位移時程曲線，如圖6(a)所示。完整的位移時程曲線如圖6(b)所示，其中對試件NF2測得的位移出現負值表明試件板發生了回彈。實驗完畢后，手工測量其殘余位移，位移峰值和殘余位移的測量結果見表2。從表2可以看出，試件N1的位移峰值和殘余位移均為最大；試件NF3的位移減小最顯著，殘余位移和位移峰值相對試件N1分別減小47%和51%；試件NF2和NF5的殘余位移相同，相對試件N1減小37%，位移峰值相差不大，相對試件N1分別減小43%和37%；試件NF4的位移峰值和殘余位移較大，試件NF3的位移峰值和殘余位移相對其分別減小27%和23%。這說明泡沫鋁密度由下到上線性遞增情況可以提高泡沫鋁的吸能性，減小結構構件的位移，但泡沫鋁密度由下到上遞減情況下其吸能效果并不是很好，另外密度無序變化相對于密度均勻的泡沫鋁防護板的防護效果沒有明顯提高。

圖6 RC試件板的位移時程曲線Fig.6 Displacement-time curves of RC slabs

表2 位移峰值和殘余位移的測量結果Table 2 Measured results of displacement peaks and residual displacements

圖7給出了各個試件的損傷破壞形態。由圖7可以看出，試件N1的破壞情況最嚴重：跨中受壓區混凝土完全壓碎，受拉區混凝土裂縫開展過大，鋼筋暴露在外面，部分受拉鋼筋已被拉斷，混凝土裂縫集中在跨中位置，主裂縫周圍沒有細小裂縫生成。而在泡沫鋁板防護層的作用下，RC板的破壞程度均明顯減輕：混凝土沒有崩落,裂縫寬度明顯減小，且主裂縫周圍有許多細小均勻裂縫產生，并向板兩端分散，如圖8所示。這說明泡沫鋁防護板能夠有效地吸收并分散能量，從而減小爆炸荷載的破壞作用。實驗測得試件NF2、NF3、NF4、NF5的裂縫寬度分別為15、5、10、12 mm，且試件NF3的裂縫分布更均勻，進一步說明泡沫鋁密度由下到上線性遞增情況可以改善泡沫鋁防護板的防爆性能，且這種密度線性遞增情況的泡沫鋁防護板的防護效果優于密度無序變化的泡沫鋁防護板。

圖7 試件破壞情況Fig.7 Damage of specimens

圖8 RC板背爆面裂縫對比Fig.8 Comparison of cracks on the back blast surfaces of the RC slabs

2 數值模擬

2.1 有限元模型

有限元模型如圖9所示。鋼筋采用雙層雙向布筋，平行鋼筋間隔80 mm。通過網格收斂性分析確定所有部件網格尺寸為10 mm，混凝土和泡沫鋁采用單積分點正六面體單元進行模擬，縱向鋼筋和橫向鋼筋均采用梁單元進行模擬。支撐與板之間采用自動單面接觸算法，鋼筋與混凝土之間以及泡沫鋁與鋼板之間通過共用節點連接。本文通過CONWEP算法將爆炸荷載施加于泡沫鋁板的迎爆面上。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

2.2 材料模型

泡沫鋁材料采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM本構模型[18]，本構關系需要輸入材料的應力應變曲線。選擇密度為300 kg/m3的泡沫鋁進行了單軸壓力實驗，得到其在準靜態壓力作用下的應力應變曲線，如圖10所示。泡沫鋁材料密度為300 kg/m3，彈性模量為142 MPa，泊松比為0.03。

鋼筋材料采用雙線性彈塑性模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)[19],該模型可以近似模擬鋼筋的彈塑性階段，還可以考慮材料的應變率效應和其在強烈荷載作用下的失效問題，如圖11所示。其中，屈服面具有固定的中心，而半徑與塑性應變相關的稱之為同向強化，反之，屈服面半徑為定值而中心位置與塑性應變相關的稱之為隨動強化。屈服面以及塑性應變由以下方程確定：

(1)

材料的抗拉強度和抗壓強度與材料的應變率有著密切聯系，而鋼筋的應變率效應可通過Cowper-Symonds[20-21]公式考慮，該公式如下：

(2)

本文鋼筋材料的密度為7 850 kg/m3，屈服強度為300 MPa，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。

混凝土材料選用72R3(MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3)材料模型[22]，該模型考慮了混凝土的損傷效應、應變率效應和應變強化，能夠有效模擬混凝土結構在爆炸及沖擊荷載作用下的動力響應。

此模型中，混凝土的塑性性能可以通過3個剪切失效面來確定，它們分別為最大剪切失效面、初始屈服面及殘余失效面。材料狀態依靠靜水壓力在3個失效面之間轉換[23]。這3個失效面的定義公式如下:

圖10 泡沫鋁的應力應變曲線Fig.10 Stress-strain curves of aluminum foam

圖11 鋼筋強化模型Fig.11 Hardening model of reinforcement

3 模型驗證

圖12為試件板NF2跨中位移時程曲線的實驗結果與模擬結果。由圖12可知，模擬曲線與實驗曲線吻合較好，峰值位移的模擬值(18.82 cm)與實驗值(18.70 cm)的相對誤差僅為0.6%。因此，本文所建立的有限元模型是較合理的。

圖12 試件板NF2跨中位移時程曲線Fig.12 Mid-span displacement-time curves of specimen NF2

在爆炸荷載作用下RC板跨中產生明顯的彎曲裂縫，混凝土裂縫集中在跨中位置,且主裂縫周圍有許多細小均勻裂縫產生，并向板兩端分散。圖13比較了實際試件與模擬結果的破壞形態。由圖13可以看出，實驗RC板的殘余位移為12 cm，模擬RC板的殘余位移為11.53 cm，且均在RC板跨中產生彎曲裂縫。模擬結果與試件破壞形態吻合較好，再次驗證了本文所建模型的有效性。

圖13 試件破壞形態Fig.13 Specimen failure modes

4 參數分析

4.1 有、無泡沫鋁防護層的對比

圖14為有、無泡沫鋁防護層情況下RC板的跨中位移時程曲線。由圖14可知：無泡沫鋁防護層RC板的峰值位移為33.43 cm，殘余位移為17.85 cm；有泡沫鋁防護層RC板的峰值位移為18.82 cm，殘余位移為11.53 cm。由此可知，設置泡沫鋁防護層的RC板的峰值位移和殘余位移明顯減小，峰值位移減小44%，殘余位移減小35%。圖15為有、無泡沫鋁防護層RC板的破壞形態。由圖15可知：無泡沫鋁防護層RC板的裂縫主要集中在跨中位置，裂縫明顯不均勻且RC板的變形較大；在泡沫鋁防護層的作用下，RC板周圍有許多細小均勻的裂縫產生，并由板的跨中向板的兩端分散。這說明泡沫鋁防護板能夠有效地吸收并分散能量，使能量更均勻地作用在結構表面，從而達到減小爆炸荷載破壞作用的效果。因此，泡沫鋁板防護層能夠有效緩解RC板的爆炸效應。

圖14 有無泡沫鋁防護層情況下RC板的跨中位移時程曲線Fig.14 Mid-span displacement-time curves of RC slabs with or without aluminum foam protective layer

圖15 有、無泡沫鋁防護層RC板的破壞形態對比Fig.15 Comparison of failure modes of RC slabs with or without aluminum foam protective layer

4.2 泡沫鋁密度分層變化的影響

泡沫鋁吸收沖擊能的性能和抗爆性能與它的密度密切相關，田杰[18]發現低密度泡沫鋁的沖擊波衰減系數比高密度泡沫鋁的小。密度梯度變化也會對泡沫鋁防護RC板的動態響應造成影響。本文模擬中建立平均密度相同、密度分布不同的泡沫鋁板對RC板進行抗爆防護的模型，泡沫鋁板的密度分布情況見表3。圖16為不同密度分布的泡沫鋁防護層RC板在爆炸荷載作用下RC板跨中豎向位移時程曲線的比較。由圖16和表3可知，D1、D2、D3這3種情況泡沫鋁的平均密度一致，模型D2的峰值位移和殘余位移分別比D1的減小了6%和9%，D3的峰值位移和殘余位移分別比D1的減小了11%和22%。雖然泡沫鋁的平均密度越大可使RC板跨中變形越小，但是綜合考慮泡沫鋁造價和吸能性能，本文中采用平均密度均為30 0kg/m3的泡沫鋁進行研究。D4和D5均為密度線性變化結構，D4情況下RC板跨中峰值位移和殘余位移分別比D5情況減小了20%和26%，這表明泡沫鋁的密度線性變化對其吸能效果有一定的影響：泡沫鋁板密度由下到上線性增大的情況相對于遞減情況可以提高RC板的抗爆性。另外，模型D6的峰值位移和殘余位移相對于D2的分別都僅減小2%，模型D7的峰值位移和殘余位移相對于D2的分別減小5%和8%，模型D8的峰值位移和殘余位移相對于D2的分別減小4%和5%，可知D6、D7、D8情況表明密度無序變化相對于密度均勻的泡沫鋁防護板的防護效果沒有明顯提高；而模型D4的峰值位移和殘余位移分別比D2的減小15%和19%。綜上可知，所有模型中模型D4的峰值位移最小，對爆炸載荷的防護效果最好。這說明泡沫鋁密度由上到下遞減結構可以提高泡沫鋁的吸能性，減小結構構件的位移。此外，還可以看出底層采用較低密度泡沫鋁材料時，由于其屈服強度小，吸收的能量多，因此爆炸荷載下RC板峰值位移小，其防護效果最好。出現上述現象的主要原因有以下幾點：(1)如圖10所示，由實驗測得的密度為300 kg/m3和密度為線性變化(由下到上線性增大)的泡沫鋁應力應變曲線可知，受壓時密度線性變化的泡沫鋁雖初始屈服應力略小于密度均勻的泡沫鋁，但隨著泡沫鋁不斷被壓實，密度線性變化的泡沫鋁的應力仍會持續升高，吸收的能量遠大于密度均勻的泡沫鋁，因此密度線性變化泡沫鋁防護層的RC板殘余位移更小。(2)通過模擬可以看出泡沫鋁均被壓實了，由于泡沫鋁密度越大，平臺應力越大，能量吸收能力越強[24]，因此，泡沫鋁板密度由下到上線性遞增情況相較由下到上遞減情況吸收的能量多，從而線性遞增情況的RC板位移峰值較小。

表3 泡沫鋁板密度分布Table 3 Density distributions of aluminum foam slabs

表4 關鍵參數對比Table 4 Comparison of key parameters

圖16 不同密度泡沫鋁的RC板中豎向位移時程曲線Fig.16 Mid-span displacement-time curves of RC slabs with aluminum foam layers of different densities

4.3 配筋率的影響

保持其他參數不變，分別對縱向受拉鋼筋配筋率(ρ)為0.90%、1.35%和1.86%的3個含300 kg/m3泡沫鋁防護層的RC板在同一爆炸荷載作用下的動力響應進行分析。圖17為3個板在爆炸荷載作用完全時的塑性應變云圖。由圖17可知，隨著配筋率的增大，板的損傷破壞逐漸減輕。圖18為這3個板的跨中豎向位移時程曲線，表5給出了每個板的峰值位移和殘余位移。由圖18和表5可知，隨著配筋率的增大，板的峰值位移和殘余位移均減小。這說明增大配筋率可以提高含泡沫鋁防護層RC板的抗爆性能。綜上所述，增大配筋率可以降低RC板的損傷破壞程度，提高其抗爆能力。

圖17 不同縱筋配筋率下RC板的塑性應變云圖Fig.17 Plastic strain cloud diagrams of RC slabs at different longitudinal reinforcement ratios

圖18 不同配筋率RC板跨中位移時程曲線Fig.18 Displacement-time curves of RC slabs with different reinforcement ratios

表5 關鍵參數對比Table 5 Comparison of key parameters

5 結 論

通過泡沫鋁防護層RC板的抗爆性能實驗和數值模擬分析得到如下結論：

(1)所建立的有限元模型能夠有效分析泡沫鋁防護RC板在爆炸荷載作用下的動態響應。含泡沫鋁防護層的RC板破壞比無泡沫鋁時均勻，泡沫鋁材料的吸能性可以有效地降低爆炸荷載對RC板的破環程度，如設置300 kg/m3密度均質泡沫鋁防護層使RC板峰值位移可減小40%以上，還可減小RC板的動態響應，并有效降低RC板的破壞程度。因此可將泡沫鋁材料貼至結構構件外表面，以提高建筑物的抗爆性能。

(2)泡沫鋁板的平均密度相同時，泡沫鋁防護板密度線性變化對其防護作用有一定影響，密度由下到上線性增大的泡沫鋁板吸能效果比線性遞減的泡沫鋁板吸能效果好。由實驗可知，泡沫鋁密度線性遞增情況下RC板的峰值位移較泡沫鋁密度線性遞減情況下減小27%。

(3)泡沫鋁板密度由下到上線性遞增情況比密度均勻分布泡沫鋁防護層的RC板抗爆防護效果好。由有限元分析可知，泡沫鋁板密度由下到上線性遞增的情況相較均勻分布情況，RC板峰值位移減少15%，殘余位移下降19%。

(4)目前可知泡沫鋁板密度無序變化對整體吸能效果有一定影響，分析可知底層泡沫鋁密度相對較小情況下抗爆防護效果較好，但整體變化規律還不得而知，因此能夠高效提高防護性能的最優無序密度分布仍需要繼續研究。

(5)增大配筋率可以減小泡沫鋁防護RC板的峰值位移和殘余位移，提高其抗爆性能。

目前為止，泡沫鋁的高效制備工藝還不夠成熟，由于造價較高，尚不能實現大規模工業應用，其中梯度泡沫鋁結構中不同層泡沫鋁之間如何有效粘結是重點需要解決的問題。