噴涂聚脲彈性體H型鋼柱抗爆性能研究

趙亞軍，王玉瓏

(1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 力學實驗教學示范中心，河北 邯鄲 056038)

近年來由恐怖襲擊或化學品及燃氣泄漏造成的爆炸時有發生，爆炸荷載對周邊建筑物造成極大的損傷。鋼柱是鋼結構的主要承重構件，當爆炸荷載作用于鋼柱，可能導致鋼柱的損毀，從而引起整個結構的倒塌，因此研究鋼柱的抗爆性能具有很重要的意義。爆炸荷載對H型鋼柱的作用較為復雜[1]，這決定了鋼柱的響應特征和破壞模式，爆炸發生在強軸方向時能表現出更好的抗爆能力[2-3]。Nassr等[4]對寬緣鋼柱在不同的爆炸荷載作用下進行了大量的試驗研究，并給出了它們爆炸后的損傷和破壞模式，爆炸發生在強軸時的穩定性更好。劉賽等[5]基于數值模擬的方法，表明了增加鋼柱截面高度比增加截面寬度更能有效提高柱的抗爆能力。田力等[6]建立了復合爆炸作用下H型鋼柱的數值模型，研究發現鋼柱的長細比對抗沖撞與抗爆性能影響較小，限制其軸向壓力值，能保證H 型鋼柱的抗沖撞與抗爆性能。

為提高結構的抗爆性能，通常采用增加防護介質厚度、采用復合結構和開發使用新材料等措施，聚脲[7-9]是一種具有明顯應變率相關大變形行為的超粘彈性材料[10]。將聚脲噴涂于結構上，能夠提高結構的整體剛度[11]，防止結構倒塌與破壞[12]。研究表明當金屬作為基底時，在任何一面涂聚脲都會增加相應的整體切線模量，從而減小結構橫向擴展沖擊力[13]，增加金屬層的能量吸收能力[14]。鋼板表面涂覆不同厚度聚脲在空爆條件下，鋼板中心最大位移隨涂層厚度的增加近似呈線性遞減趨勢[15]，雙涂層的抗爆性能更佳[16]。由于爆炸相關問題的研究較為復雜，目前對于鋼柱在爆炸沖擊波作用下的防護研究較少，而鋼柱作為結構的主要承重構件，提升其抗爆能力顯得尤為重要。

本文提出采用噴涂聚脲作為H型鋼柱的抗爆防護措施，利用數值計算方法，對聚脲加固H型鋼柱在弱軸方向爆炸荷載作用下的動態響應進行研究，分析鋼柱的變形及吸能情況，揭示噴涂聚脲對H型鋼柱的抗爆防護機理，為鋼結構的抗爆設計提供理論依據。

1 數值計算模型

1.1 數值模型建立

本文對噴涂0、3、5 mm聚脲的H型鋼柱進行了數值模擬，以探究噴涂不同厚度聚脲H型鋼柱在爆炸荷載作用下的動態響應。如圖1，本文對3 m長的H型鋼柱進行抗爆數值分析，材料選用Q235鋼，TNT炸藥量為25 kg，爆心在H型鋼柱弱軸方向2 m處，距地面1.5 m。

本模型包括：鋼柱、聚脲、炸藥、空氣與地面組成，除地面采用Shell單元外，其余均采用Solid單元，聚脲、鋼柱與鋼板網格尺寸為20 mm，空氣域尺寸為3.9 m×3.02 m×0.2 m，空氣與炸藥網格尺寸為40 mm，空氣邊界采用無反射邊界條件，鋼柱與地面采用固定約束，并約束柱頂的水平位移。

鋼柱及聚脲彈性體采用LAGRANGE網格，炸藥與空氣采用ALE網格，通過多物質流固耦合算法定義ALE網格和LAGRANGE網格之間的相互作用，聚脲材料與鋼柱之間采用共節點設置，模擬聚脲與鋼柱表面的粘結狀態。在鋼柱兩端添加剛性板，鋼性板與鋼柱之間采用共節點設置，對鋼柱頂端剛性板施加均布面荷載，以準確模擬實際工況中的豎向荷載，根據張秀華等[17]研究結果，在抗爆分析和設計中鋼柱軸壓比不宜超過0.3，本文施加豎向荷載F=0.2Fp，Fp是鋼柱的極限承載力。

圖1 數值模擬示意圖

1.2 模型材料

1.2.1 TNT炸藥與空氣

本文所用的TNT炸藥采用MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN模型，結合JWL狀態方程描述爆炸時產生的高壓沖擊波，JWL狀態方程的P-V關系如下：

(1)

所使用的TNT炸藥及其狀態方程參數如表1：

本文考慮TNT炸藥在理想空氣中爆炸，空氣采用MAT_NULL模型，結合線性多項式狀態方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

[C4+C5μ+C6μ2]E

(2)

空氣密度為：1.29 kg/m3；C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

1.2.2 H型鋼

本文鋼柱材料選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，該模型通過調整β來選擇各向隨動強化或等向強化，基于Cowper-Symonds關系考慮高應變率效應：

(3)

表1 TNT炸藥以及狀態方程參數[18]

用與應變率有關的放大系數表示屈服應力:

(4)

表2 鋼的材料參數[19]

1.2.3 聚脲

從聚脲彈性體的動態力學性能看，聚脲材料是一種具有明顯應變率效應的超粘彈性體，選用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型來模擬聚脲彈性體。本模型屬于彈塑性材料模型，可定義不同應變率下的應力應變曲線，能夠很好地模擬彈塑性材料的響應過程。圖2為不同應變率下聚脲彈性體的應力應變曲線。聚脲材料具體參數如表3：

圖2 不同應變率下聚脲應力應變曲線

表3 聚脲材料參數[20]

2 模型驗證

截至目前國內外很少有噴涂聚脲H型鋼柱在爆炸荷載作用下的破壞試驗，故本文通過對比涂覆聚脲的鋼板爆炸試驗，驗證本文計算模型所采用的耦合算法、材料模型的合理性。

文獻[21]中試驗工況2采用邊長為400 mm的方形Q235鋼板，板厚1.5 mm，鋼板迎爆面涂覆4 mm聚脲層。涂覆聚脲鋼板結構固定在兩個夾板之間，采用40 g柱形TNT炸藥，爆距50 mm，聚脲涂覆鋼板的實際加載區域為250 mm×250 mm。由于爆炸載荷和聚脲涂覆鋼板結構具有對稱性，所以建立1/4 模型，在模型的邊界處施加固定約束和對稱約束如圖3。

圖3 聚脲涂覆鋼板結構與炸藥模型

圖4(a)為文獻[21]中工況2的靶板變形圖，圖4(b)為本文數值模擬位移云圖。可見，中心處最大位移的試驗結果與仿真結果吻合良好，驗證了本文所采用模型的有效性。

圖4 試驗與數值模擬對比圖

3 結果分析

為研究鋼柱在實際爆炸場景中H鋼柱的動態響應，本文采用以下荷載加載方案(圖5)：準靜態階段應用初級軸向載荷，對柱頂逐步施加20%H型鋼柱軸向極限承載力，忽略重力和風荷載；對鋼柱施加橫向爆炸荷載，并對鋼柱進行分析。

圖5 不同階段荷載加載的方法

3.1 塑性應變

圖6為爆炸發生在弱軸方向時鋼柱等效塑性變形圖，當腹板作為迎爆面時，爆炸產生的沖擊波達到腹板位置后，在鋼柱腹板和翼緣之間的半封閉空間內會形成沖擊波渦流，繞弱軸產生大的彎矩，從而使得翼緣和腹板連接處的受力較大。如圖6所示，迎爆面翼緣部分向鋼柱的外側呈外張的趨勢，鋼柱背爆面的翼緣部分呈現出向腹板處收縮的趨勢。由圖可以看出鋼柱柱腳14 cm處腹板塑性應變較大。

圖6 鋼柱塑性應變分析

圖7為空氣中發生爆炸沖擊波傳播示意圖，圖中爆炸所產生沖擊波在傳播到H型鋼柱之前先與地面發生接觸，經過地面的反射產生反射波，反射波與初始沖擊波發生耦合形成馬赫波，然后作用于H型鋼柱腹板。圖8為不同時刻沖擊波傳播云圖，由圖可知沖擊波傳播至柱腳時，沖擊波在鋼柱腹板、翼緣和地面之間形成沖擊波渦流，使沖擊波進一步增強，因此樁腳的壓力較其它部位最大。而當爆炸發生在鋼柱弱軸方向時，腹板的變形方向為剛度較小的方向，因此鋼柱柱腳腹板處破壞最為嚴重。

圖7 爆炸沖擊波傳播示意圖

圖9為柱中腹板與翼緣連接點塑性應變時程曲線，圖10為柱角14 cm處腹板的塑性應變時程曲線，由圖可知，其塑性應變曲線均呈現出多階段上升趨勢，是因為爆炸沖擊波作用于鋼柱時，在腹板與翼緣間的多次反射，鋼柱各部件間歇受到荷載作用所致。由圖9可以看出，未噴涂聚脲時腹板與翼緣連接點的塑性應變要比噴涂聚脲時H型鋼柱腹板與翼緣連接點的塑性應變高很多，比較最大塑性應變可以得到噴涂3、5 mm聚脲的塑性應變分別是未噴涂聚脲的34.22%、19.52%。由圖10可以看出，對鋼柱噴涂3、5 mm聚脲時，鋼柱柱腳腹板處塑性應變分別是0.118、0.112，分別是未噴涂聚脲H型鋼柱柱角腹板處塑性應變的80.8%、76.7%。

當爆炸發生在弱軸方向時，聚脲材料能夠有效地減小H型鋼柱柱中翼緣和腹板連接處的變形，并在一定程度上減小柱腳腹板處的變形，提高鋼柱的剛度。本文建議在加固H型鋼柱時，應對柱角腹板處重點加固，以降低柱角破壞的可能，使鋼柱在弱軸方向具有更好的抗爆能力。

3.2 變形

圖11為噴涂不同厚度聚脲的H型鋼柱在等量爆炸載荷作用下的變形圖。炸藥在柱中位置起爆，由于柱腳與柱頂的約束情況，因此鋼柱的中心區域位移最大，且柱中翼緣部分均呈現向外擴張的趨勢，隨著聚脲涂層的加入，柱中翼緣向外擴張的幅度逐漸變小。圖12為噴涂不同厚度聚脲H型鋼柱柱中翼緣位移峰值圖，由圖可以看出，未噴涂聚脲時鋼柱翼緣位移峰值為9.04 cm，噴涂聚脲后的翼緣位移峰值依次為：5.96、5.59 cm，分別減小了未噴涂聚脲時鋼柱翼緣位移峰值的34%、38.2%。可以看出，當爆炸發生在弱軸時，聚脲的加入可以明顯地降低H型鋼柱翼緣位移，隨聚脲厚度的增加其位移減小的趨勢逐漸平緩。

圖8 沖擊波壓力傳播圖

圖9 腹板與翼緣連接點塑性應變時程曲線

圖10 柱腳腹板處塑性應變

圖11 噴涂不同厚度聚脲的H型鋼柱位移云圖

圖12 不同厚度聚脲翼緣峰值位移

圖13 跨中位移時程曲線

圖13為H型鋼柱柱中橫向位移時程曲線，由圖可知，未噴涂聚脲的H型鋼柱在8.4 ms時達到最大位移峰值為13.2 cm，隨后H型鋼柱進入塑性階段。隨著聚脲厚度的增加，沖擊波達到鋼柱時經過聚脲層被衰減，導致噴涂了聚脲的鋼柱位移達到峰值的時間有所延遲，位移峰值依次是未噴涂聚脲鋼柱位移峰值的90.8%、82.5%，隨著聚脲厚度的增加，各鋼柱柱中橫向位移峰值近似呈線性遞減的趨勢減小。H型鋼柱的柱中橫向位移峰值降低，是因為聚脲涂層使H型鋼柱的整體切線模量增強。以上分析說明，噴涂了聚脲彈性體后的H型鋼柱，能明顯降低爆炸發生在弱軸時H型鋼柱的柱中位移。

3.3 能量吸收

結構通過變形來消耗并衰減沖擊波，轉化為自身的動能與內能。圖14為H型鋼柱的動能和內能時程曲線，由圖14(a)可以看出：沖擊波接觸到鋼柱后，其動能近乎呈線性增長的趨勢迅速上升，在達到35 kJ時，噴涂了聚脲的鋼柱增長趨勢變緩，是因為聚脲的存在，沖擊波先作用于聚脲，部分能量被聚脲吸收。隨著噴涂聚脲彈性體厚度的增加，鋼柱的動能峰值依次為：67.5、64、62.6 kJ。在動能下降段可以看到，動能時程曲線出現多個峰值，且噴涂聚脲的鋼柱各個峰值均有一定的延遲，是因為沖擊波在翼緣與腹板之間的多次反射作用。

吸能能力是研究爆炸荷載作用下結構構件性能的重要參數，從圖14(b)可以明顯看出，未噴涂聚脲的H型鋼柱的內能為169 kJ，明顯高于噴涂了聚脲H型鋼柱的內能，其中分別噴涂3、5 mm聚脲H型鋼柱的內能是未噴涂聚脲鋼柱的91.66%、74.56%，這是因為聚脲提高了H型鋼柱的整體剛度，聚脲涂層在抗爆沖擊過程中的拉伸變形、粘彈性以及由彈性向塑性轉變，耗散了一部分能量，使得鋼柱所吸收的能量較低。

圖14 鋼柱動能和內能時程曲線

4 結論

1)爆炸發生在弱軸柱中方向2 m處時，由于各方向沖擊波及反射波的耦合作用，鋼柱的最大塑性應變發生于柱腳附近。

2)噴涂聚脲可顯著提高鋼柱的整體剛度和抗爆能力，能夠約束腹板與翼緣連接處的變形，并大幅減小柱腳附近最大塑性應變，且涂層越厚，提高效果越明顯，但呈現非線性增長，隨厚度增加，提高程度減緩。

3)聚脲彈性體可在爆炸中吸收沖擊波的能量，從而延緩鋼柱的變形及動能峰值出現時間，并大幅降低峰值，使鋼柱本身受到沖擊作用較為平緩，從而實現對鋼柱的保護，5 mm的聚脲涂層可減小17.5%的鋼柱橫向位移和25.7%的內能。