水下爆炸對高樁碼頭毀傷效應的試驗研究*

劉靖晗，唐 廷，韋灼彬，李凌鋒

（1. 海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2. 海軍勤務學院，天津 300450）

港口工程是國家經(jīng)濟貿(mào)易和軍事戰(zhàn)略的重要支撐，高樁碼頭是港口工程最常用的結構形式之一，考慮恐怖襲擊和軍事打擊，水下爆炸是高樁碼頭面臨的主要威脅，開展高樁碼頭水下爆炸試驗研究，對高樁碼頭破壞模式判定和抗爆性能評估的研究有重要意義。

國內外對水下爆炸沖擊波、氣泡載荷以及結構毀傷效應等方面正取得一定研究成果，高勇軍等[1]、顧文彬等[2-3]基于試驗和數(shù)值模擬研究了水下沖擊波傳播荷載規(guī)律，Wardlaw 等[4]、張阿漫等[5]通過試驗和理論探析了氣泡脈動及射流特性。關于水下爆炸結構毀傷，研究成果主要集中在艦船、潛艇結構，朱錫等[6-7]、李海濤等[8-9]等對艦船結構進行簡化縮尺，研究了水下爆炸下鋼結構板、梁的破壞模式和毀傷機理。黃曉明等[10]簡化潛艇為鋼制圓柱殼模型，分析了鋼制圓柱殼在水下爆炸載荷下的動態(tài)響應。相較鋼材，混凝土材料的抗爆性能更加復雜，劉美山等[11]、李裕春等[12]通過試驗研究了水下爆炸作用下混凝土結構的應力狀態(tài)、毀傷現(xiàn)象和破壞程度，李建陽等[13]通過數(shù)值模擬軟件研究了混凝土立方體在不同工況水下爆炸荷載下的破壞過程。考慮試驗成本和效率，一般采用模型試驗開展大型建筑的抗爆研究，董琪等[14]、李凌鋒等[15]通過沉箱碼頭模型試驗，分別研究了空中爆炸、水下爆炸和內部爆炸下，沉箱碼頭的毀傷效應。目前，針對高樁碼頭抗爆性能的研究開展較少，韋灼彬[16]通過高樁碼頭模型試驗，研究了不同炸藥位置空中爆炸下高樁碼頭的破壞形態(tài)和毀傷機理，閆秋實等[17]采用數(shù)值模擬軟件分析了炸深和爆距對單個樁基的毀傷效應，得到了特定深度水下爆炸下單樁的毀傷區(qū)域。由于高樁碼頭結構復雜、混凝土材料響應的強非線性以及沖擊波反射、繞射，氣泡脈動射流等載荷多變，通過模型試驗開展高樁碼頭水下爆炸毀傷效應的破壞模式和毀傷機理的研究十分必要。

本文中通過開展高樁碼頭水下爆炸試驗，對水下爆炸下荷載特性和碼頭毀傷情況進行采集分析，分析炸藥位置對碼頭毀傷效應的影響，得到水下爆炸下高樁碼頭的主要毀傷因素和破壞模式，系統(tǒng)分析高樁碼頭各構件的毀傷機理，研究炸藥位置對高樁碼頭毀傷效應的影響，以期為進一步開展理論和數(shù)值模擬研究提供參考和依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

高樁碼頭模型水下爆炸試驗在野外試驗場地開展，采用1 kg 的球形乳化炸藥，共計完成2 個高樁碼頭模型（編號分別為HW1、HW2）水下爆炸試驗。高樁碼頭模型總高3.55 m，樁基長3.1 m，其中土下樁長1.3 m，水中樁長1.7 m，水面樁長0.1 m。HW1 模型為橫向3 跨、縱向3 跨的高樁碼頭模型，炸藥位于模型中部4 個樁基的中心位置，炸藥正對樁基棱邊，距離樁基0.61 m，炸藥上方為碼頭面板，自由場壓力傳感器位于碼頭外側，傳感器與炸藥距離2.4 m。HW2 模型為橫向2 跨、縱向3 跨的高樁碼頭模型，炸藥位于模型中部2 個樁基的中間位置，距離樁基0.29 m，炸藥上方正對縱梁，自由場壓力傳感器位于碼頭外側，傳感器與炸藥距離2.3 m。試驗場地、炸藥及傳感器布設如圖1～2 所示。

圖1 試驗場地、炸藥及傳感器布設方案（HW1）Fig. 1 Experimental site, explosive and sensor position arrangement (HW1)

圖2 試驗場地、炸藥及傳感器布設方案（HW2）Fig. 2 Experimental site, explosive and sensor position arrangement (HW2)

1.2 試驗模型

試驗模型按照鋼筋混凝土梁板式高樁碼頭為參照，以真實反映高樁碼頭結構特性和材料特性為準則，參考水工混凝土結構設計規(guī)范，結合靜力學計算和試驗需求，兼顧施工可行性和試驗場地條件，設計試驗模型。

碼頭模型總高3.55 m，面板厚100 mm，橫梁為倒置T 形梁，翼緣寬200 mm，厚200 mm，肋寬120 mm，肋高250 mm，總高450 mm；縱梁截面70 mm×250 mm，橫梁、縱梁與面板重疊100 mm；樁基長3.1 m，方形截面120 mm×120 mm。考慮真實情況下高樁碼頭的土下樁基較長，主要起到摩擦、抗拔作用，模型試驗中適當縮短高樁碼頭模型的樁基入土長度，樁基底部通過10 cm 厚素混凝土墊層固定。碼頭模型上部結構（包括橫梁、縱梁、面板）的混凝土設計強度為C40，樁基的混凝土設計強度為C50，鋼筋統(tǒng)一采用HRB335 型號，模型主要構件參數(shù)情況如表1 所示。

表1 主要構件參數(shù)（單位為mm）Table 1 Matching bar condition of main members (unit in mm)

2 水中爆炸荷載分析

為測試乳化炸藥水下爆炸的載荷情況，2 次試驗分別在距離碼頭0.5、1 m 處設置自由場壓力傳感器，傳感器距水面深度與炸藥水深一致，傳感器距離炸藥分別為2.4 和2.3 m。

圖3 為第2 次試驗測點的壓力時程曲線，2 個測點的壓力時程曲線變化規(guī)律基本一致，主要出現(xiàn)兩個荷載階段：在沖擊波初始階段壓力瞬時達到峰值，隨后在下降階段壓力重新增加達到第二個峰壓，然后逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，在約17 ms 后出現(xiàn)第2 次載荷，壓力曲線出現(xiàn)振蕩并達到峰壓，隨后振蕩逐漸減弱趨于穩(wěn)定。第1 次荷載階段中第1 個峰壓為初始沖擊波，第2 個峰壓為水底反射波，水底反射波到達的時間滯后于初始沖擊波并峰壓較小；水下爆炸伴隨沖擊波會產(chǎn)生氣泡，第2 次荷載階段的峰壓為氣泡脈動產(chǎn)生的氣泡脈沖載荷。

圖3 水下壓力時程曲線Fig. 3 Underwater pressure histories

Cole 基于大量實地實驗得到自由場水下爆炸沖擊波、氣泡脈動及氣泡周期的經(jīng)驗公式[18-19]：

式中：W為TNT 裝量，kg；S為荷載傳播距離，m；H為炸藥距離水面的深度，m；Pm為沖擊波峰壓，MPa；I為沖擊波比沖量，Pa·s；pm為氣泡脈沖峰壓，MPa；i為氣泡脈沖比沖量，Pa·s；T為氣泡第一次脈動周期，s；Z為炸藥位置的流體靜壓的等效水深，m，Z=H+H0，H0為水面大氣壓的等效水深，H0=10.33。

根據(jù)經(jīng)驗公式對比1 kg TNT 與1 kg 乳化炸藥的荷載及氣泡脈動特性，如表2 所示。同等裝藥量下，乳化炸藥水下爆炸的沖擊波峰壓與沖擊波比沖量稍弱于TNT，由于試驗中水深較淺，氣泡沒有完成一次完整的氣泡脈動周期而提前潰散，因此氣泡周期、氣泡脈動荷載和比沖量與經(jīng)驗公式的相對誤差較大。

表2 1 kg 乳化炸藥與1 kg TNT 水下爆炸荷載比較Table 2 Comparison of underwater explosion load between 1 kg emulsion explosive and 1 kg TNT

3 結構毀傷情況

3.1 高樁碼頭模型HW1 毀傷模式

高樁碼頭模型HW1 的破壞區(qū)域主要為炸藥附近的4 個樁基、碼頭面板以及梁板連接處，整體毀傷現(xiàn)象如圖4（a）～（b）所示。炸藥附近4 個樁基向外側發(fā)生彎曲變形，樁基的中部和頂部均出現(xiàn)裂縫和破損；碼頭面板向上隆起，面板長邊兩側中部混凝土破壞；剝落的混凝土碎塊飛散開落到面板頂部，碼頭面板、縱橫梁均產(chǎn)生局部裂縫；距離炸藥較遠的12 個樁基和碼頭短邊兩側基本沒有毀傷現(xiàn)象。

3.1.1 樁基毀傷

HW1 中炸藥位于高樁碼頭中部4 個樁基之間，4 個樁基向外側發(fā)生明顯彎曲變形，樁中位移量約7.2 cm，如圖4（c）所示，炸藥正對樁基棱邊，樁基的棱邊及兩側迎爆面直接受到爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用，樁基迎爆面和背爆面均有一定損傷。4 個樁基中部迎爆棱邊混凝土被壓碎，形成中間深四周淺的爆坑，如圖4（d）所示，豎向長度約18 cm，水平長度約6.1 cm；4 個樁基背部形成2～4 條水平平行裂縫，裂縫主要分布于樁基的中部，裂縫由背爆棱邊向兩側發(fā)展，貫穿樁基兩側背爆面，裂縫為中間寬兩邊窄，最大裂縫寬度達2 cm，平行裂縫之間存在少數(shù)豎向裂縫，如圖4（e）所示。樁基底部向外側輕微偏移，但沒有明顯損傷現(xiàn)象，樁基頂部迎爆面和背爆面均產(chǎn)生一定損傷，如圖4（f）～（g）所示，樁基迎爆面頂部與上部橫梁的連接面發(fā)生整體切斷，樁頂橫截面與橫梁底部產(chǎn)生明顯間隙，樁頂背爆棱邊形成錐形破坑，樁頂背爆面形成45°向下的斜裂縫。

樁基的毀傷區(qū)域主要集中在樁中和樁頂，由于炸藥為球形裝藥，初始沖擊波和氣泡呈現(xiàn)球形向外傳播，樁基中部迎爆棱邊最先受到水下沖擊波和氣泡的載荷作用，樁基中部迎爆棱為受壓區(qū)，因此樁基迎爆棱混凝土被壓碎。沖擊波傳播至樁基后產(chǎn)生應力波分別沿樁截面和樁長方向傳播，水平應力波在樁基背面反射產(chǎn)生拉伸波，樁基中部背面為受拉區(qū)，由于混凝土抗拉強度很低，當拉應力大于混凝土抗拉強度時，在樁基背面產(chǎn)生水平裂縫；豎向應力波由樁中分別向樁頂和樁底傳播，由于樁頂與橫梁固支，樁頂剪切力集中，并且樁基與上部梁板結構分2 次澆筑，兩者的混凝土標號不同，樁梁連接處為薄弱區(qū)域，樁頂與橫梁連接處抗剪強度不足時樁頂橫截面直接斷裂。由于樁基中部向外側彎曲變形，樁頂迎爆面為受拉區(qū)，樁頂背爆面為受壓區(qū)，因此截面斷裂由樁基迎爆側發(fā)展，樁頂背爆棱邊混凝土在壓應力和剪切應力的共同作用下破碎。

3.1.2 面板毀傷

將碼頭面板分為9 個區(qū)域，如圖4（h）所示，主要破壞區(qū)域為面板中部區(qū)域（4#、5#、6#），面板整體向上彎曲凸起，長邊兩側的中部混凝土破壞嚴重，破碎長度分別為102.7 和98.8 cm，面板鋼筋裸露，兩側破碎區(qū)域形成裂縫向中間發(fā)展，如圖4（i）～（j）所示。面板中部5#頂部產(chǎn)生龜裂裂縫，面板短邊兩側頂部基本完好。面板底部直接受到荷載作用，毀傷現(xiàn)象更加嚴重，毀傷程度由強到弱依次為4#(6#)、5#、2#(8#)、1#(3#、7#、9#)，圖4（o）為面板中部區(qū)域5#底部毀傷現(xiàn)象，5#面板向上凸起約20 cm，與縱梁、橫梁均分離約4 cm，形成明顯間隙，面板與橫梁、縱梁連接處混凝土幾乎完全失效而脫離，面板鋼筋裸露，鋼筋受向上的拉力作用而使混凝土保護層剝離嚴重，面板邊緣出現(xiàn)撕裂裂縫。圖4（m）為面板邊長側4#底部毀傷現(xiàn)象，面板4#、6#靠近長邊兩側破壞最嚴重，面板與縱橫梁連接處大面積混凝土破壞，面板長邊側底部與頂部形成貫穿破口，面板長邊側上移約10 cm，鋼筋裸露。圖4（l）為面板短邊側2#底部毀傷現(xiàn)象，面板2#、8#在靠近炸藥的縱、橫梁連接處混凝土破壞，形成撕裂裂縫，靠近短邊側面板基本完好，面板4 個角區(qū)域（1#、3#、7#、9#）毀傷最輕微。

圖4 水下爆炸高樁碼頭模型破壞現(xiàn)象（HW1）Fig. 4 The damage phenomena of the high-piled wharf model under underwater explosion (HW1)

水下爆炸后應力波由樁基、橫梁、縱梁依次傳播至面板，最終在面板頂部形成反射拉伸波，氣泡在膨脹的過程中由于水底邊界限制，氣泡向水面方向膨脹，水面隆起直接作用于面板。面板長、短邊長之比為1.65∶1，為雙向板，其中長邊為主要受力邊，氣泡引起的水面沖擊載荷相較于沖擊波荷載峰值小，但作用時間長，面板受到較大的荷載沖量。由于碼頭面板較薄，其抗剪承載力較弱，并且面板縱筋沒有與縱、橫梁鋼筋綁扎，其銷栓抗剪作用有限，容易發(fā)生剪切破壞，因此面板主要呈現(xiàn)邊界的剪切破壞，同時樁基變形引起上部橫梁向外側變形，加劇了面板四邊連接處的破壞。由于板內鋼筋的存在，面板局部發(fā)生沖切破壞而未完全脫離結構，面板中部發(fā)生彎曲變形。

3.1.3 橫梁、縱梁毀傷

碼頭縱、橫梁與面板連接處的混凝土毀傷嚴重，面板向上變形，與縱橫梁已經(jīng)脫離，連接處鋼筋裸露，如圖4（n）、（p）所示，5#面板直接受到水面載荷作用，兩側縱梁由底部中間向兩側形成兩條彎剪斜裂縫。水面隆起直接作用在5#面板以及四周縱、橫梁，由于載荷作用在橫梁的強軸方向，橫梁的抗彎強度較強，未發(fā)生明顯損傷，縱梁相對抗彎剪強度稍弱，5#面板兩側縱梁形成輕微斜裂縫，梁板連接處抗剪強度最弱，為主要毀傷區(qū)域。

3.2 高樁碼頭模型HW2 毀傷模式

高樁碼頭模型HW2 的破壞區(qū)域主要為炸藥附近2 個樁基、縱梁、面板以及面板與縱橫梁的連接處，主要毀傷部位的破壞現(xiàn)象如圖5 所示。炸藥附近2 個樁基毀傷嚴重，樁基的中部和頂部大面積混凝土破壞，鋼筋裸露，樁基向外側嚴重變形，炸藥正上方縱梁出現(xiàn)對稱斜裂縫，面板與縱橫梁連接處出現(xiàn)裂縫，面板中部出現(xiàn)細微裂縫，輕微向上隆起，距離炸藥較遠的10 個樁基基本沒有損傷。

圖5 水下爆炸高樁碼頭模型破壞現(xiàn)象（HW2）Fig. 5 The damage phenomena of the high-piled wharf model under underwater explosion (HW2)

3.2.1 樁基毀傷

HW2 中炸藥位于2 個樁基之間，樁基迎爆面混凝土直接受到爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用，樁基向外側彎折，炸藥附近2 個樁基的中部和頂部混凝土毀傷嚴重，2 個樁基中部均出現(xiàn)貫穿破壞，樁基中部破壞長度約30 cm，其中背爆面的破壞長度大于迎爆面，裸露的鋼筋向外側發(fā)生明顯彎曲變形，但沒有被剪斷。樁基頂部至中部的迎爆面混凝土保護層完全剝離，鋼筋完全裸露，如圖5（e）所示，樁基底部發(fā)生明顯位移，但毀傷程度較弱，在樁底出現(xiàn)水平細微裂縫。2 個樁基中部撓度有所不同，并且樁基變形方向呈一定角度，如圖5（g）所示，樁基中部分別位移49.4 和21.2 cm，這主要由于施工工藝不足以及炸藥在在注水過程中定位出現(xiàn)偏差產(chǎn)生。

炸藥兩側樁基在沖擊波和氣泡作用下，樁基中部迎爆面混凝土直接受壓破壞，樁基向外側迅速變形，混凝土與鋼筋粘結失效，混凝土破碎、飛散，隨著樁基彎曲變形，樁基背爆面混凝土受拉而失效，樁基中部破壞區(qū)域貫通。樁基頂部與橫梁固接，其中樁基頂部迎爆面受到拉應力，樁基頂部背爆面受到壓應力，左側樁基撓度較大，樁頂迎爆面混凝土受拉完全破壞，與樁頂背爆面和樁中破壞區(qū)域貫通，右側樁基的樁頂區(qū)域裂縫貫穿形成塑性鉸，樁頂背爆面混凝土被壓壞。樁基底部受到水底黏土的柔性約束，產(chǎn)生一定位移從而衰減了樁底受到的彎剪應力，因此樁基底部的毀傷效應較輕微。

3.2.2 面板、橫梁、縱梁毀傷

碼頭HW2 面板頂部基本沒有損傷，僅在中部出現(xiàn)細微裂縫，面板底部與縱、橫梁連接處出現(xiàn)水平裂縫，并且與縱梁的斜裂縫貫通形成通長裂縫，如圖5（c）所示，縱梁兩端形成2 條基本對稱的彎剪斜裂縫，斜裂縫由梁板連接處延伸至縱梁下沿中部，裂縫為上寬下窄，兩側的斜裂縫在縱梁底部貫通。這是由于炸藥位于縱梁下部，氣泡向水面方向膨脹而直接作用在上方縱梁，縱梁直接受到水面載荷，并緩沖了氣泡載荷，因此面板整體毀傷較輕微，面板向上彎曲隆起約3 cm。

4 炸藥位置對高樁碼頭毀傷模式的影響

高樁碼頭主要由樁、梁、板組成，樁基首先受到?jīng)_擊波和氣泡脈沖的荷載作用，碼頭上部結構主要受到由樁基傳播的應力波和氣泡膨脹引起的水面載荷，炸藥位置對高樁碼頭的毀傷效應影響較大，將HW1 和HW2 下高樁碼頭關鍵部位的主要毀傷模式匯總于表3。

表3 高樁碼頭模型毀傷效應Table 3 Damage effect of high-piled wharf

HW1 和HW2 的毀傷區(qū)域主要集中在炸藥附近樁基和上部梁板結構，樁基的毀傷區(qū)域主要為樁基的中部和頂部。HW2 中炸藥爆距小于HW1 中的，碼頭HW2 的樁基的破壞程度遠大于碼頭HW1 的，靠近炸藥的2 個樁基中部和頂部破壞嚴重，已喪失承載力。HW1 中的炸藥位于面板下方，面板直接承受氣泡膨脹引起的載荷，而HW2 中的炸藥位于縱梁下方，縱梁相較面板的抗彎剪能力更強，并且當氣泡膨脹引起水面隆起沖擊上部結構時，縱梁能起到緩沖并截斷水面（氣泡）的作用，消耗了一定的氣泡沖擊能量，減弱了氣泡膨脹對面板的載荷，同時縱梁受的沖擊作用增強，因此HW2 中縱梁的破壞現(xiàn)象較HW1 中的增強；另一方面，HW2 中的樁基中部和頂部基本完全破壞，消耗了大量的水下爆炸能量，由于梁板受到的載荷一部分由樁基向上傳播，當樁基失效后，減緩了上部梁板結構的破壞，因此HW2 中的碼頭面板及梁板連接處的毀傷效應較HW1 中的輕微。綜合比較不同炸藥位置高樁碼頭模型的毀傷現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)：爆距直接決定樁基的破壞模式和毀傷程度，炸藥位置直接影響碼頭上部結構的毀傷效應，當炸藥位于面板下方時，面板的毀傷增大，當炸藥位于縱梁的下方時，對面板的毀傷明顯減弱，而對縱梁的毀傷增強。

5 結 論

本文中通過開展水下爆炸對高樁碼頭毀傷效應的試驗研究，得到如下結論：

（1）水下爆炸作用下，高樁碼頭受到的超壓載荷主要包括初始沖擊波和水底反射波的聯(lián)合載荷以及氣泡脈沖載荷。

（2）水下爆炸對高樁碼頭造成的毀傷部位主要為炸藥附近樁基、面板以及梁板連接區(qū)域，水下樁基的毀傷程度大于碼頭上部結構。

（3）樁基的破壞區(qū)域主要為樁基的中部和頂部，樁基中部迎爆面混凝土受壓破壞形成爆坑，樁基中部背面混凝土受拉形成水平裂縫，樁基迎爆面頂部與橫梁連接處發(fā)生剪切破壞，樁基背爆面頂部混凝土壓碎；隨著爆距減小，水下爆炸對樁基的毀傷作用增強，樁基中部迎爆面和背爆面破壞區(qū)域貫通，樁基頂部混凝土基本失效，樁基喪失承載力。

（4）水下爆炸作用下，碼頭面板向上彎曲形成裂縫，當炸藥位于面板下方時，氣泡膨脹引起的水面載荷直接作用面板，對面板以及梁板連接處毀傷作用較強，面板頂部長邊方向混凝土剪切破壞，面板底部與縱橫梁連接處混凝土沖切破壞；當炸藥位于縱梁下方時，縱梁緩沖了氣泡載荷，減輕了面板以及梁板連接處混凝土的毀傷，面板與縱橫梁連接處形成細微裂縫，縱梁形成對稱斜裂縫，面板輕微彎曲向上隆起，面板毀傷效應較弱。