單鋼板混凝土剪力墻抗爆性能研究*

趙春風，盧 欣，何凱城，張增德，王靜峰,3，李曉杰

（1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009；2.大連理工大學工業裝備與分析國家重點實驗室，遼寧 大連116024；3.合肥工業大學安徽先進鋼結構技術與產業化協同創新中心，安徽合肥230009）

近年來，世界范圍內爆炸恐怖襲擊和意外爆炸事故頻發，給人民的生命財產安全造成嚴重威脅。2015年天津濱海新區爆炸事故、2018年美國威斯康辛州森普雷里市天然氣爆炸事故、2019江蘇響水天嘉宜公司特大爆炸事故等，都造成建筑物嚴重破壞和重大經濟損失。墻板作為結構的主要承載構件，在各類爆炸事故和襲擊中最易受到爆炸荷載的破壞，其抗爆性能影響結構物的整體抗爆能力。因此，研究墻板在爆炸荷載作用下的破壞機理和抗爆性能，對于提高建筑物抗爆能力，提升結構的整體安全性，具有十分重要的研究價值和意義。

目前，國內外學者對于鋼筋混凝土板的抗爆性能已經進行了一定研究，而對鋼板混凝土剪力墻板的抗爆性能研究極少。Zhao等[1-2]進行了普通鋼筋混凝土板和60°配筋混凝土板的爆炸試驗，提出了基于比例距離、幾何尺寸和邊界條件的普通鋼筋混凝土板的爆炸撓度的擬合公式。李利莎等[3]采用Lagrange、ALE和SPH 等3種不同算法對鋼筋混凝土板接觸爆炸進行了數值模擬，分析比較了3種不同算法的優缺點。張想柏等[4]進行了不同板厚、混凝土強度等級、炸藥量的鋼筋混凝土板抗爆試驗和數值分析研究，建立了新的震塌厚度計算公式。劉云等[5]進行了不同配筋率的高強鋼筋混凝土板的抗爆試驗，結果表明提高板中的鋼筋強度等級和配筋率能改善鋼筋混凝土板的抗爆性能。Jun 等[6]總結了高強混凝土板和一般強度混凝土板的接觸爆炸規律，并對接觸爆炸試驗產生的所有碎片進行收集和篩選分析。但是，鮮有針對鋼板混凝土剪力墻構件的抗爆性能研究。

鋼板混凝土剪力墻是一種新型抗側力構件，通過連接件代替鋼筋，充分發揮鋼材抗拉和混凝土抗壓的性能，具有較高的剛度和承載能力。相關研究[7-12]顯示，鋼板混凝土剪力墻按其結構形式可分為單側鋼板混凝土剪力墻，夾心鋼板混凝土剪力墻和雙鋼板混凝土剪力墻，鋼板混凝土剪力墻具有優異的延性和耗能能力，表現出優異的抗爆性能，已應用于高層建筑、橋梁結構、核反應堆安全殼、海洋平臺以及儲油罐等結構。基于《鋼板剪力墻技術規程JGJ/T380—2015》[13]，設計并制作了3個試件，開展鋼筋混凝土板（reinforced concrete slab，RCS）、單側鋼板混凝土板（side steel plate shear wall slab，SSPSWS）和夾心鋼板混凝土板（center steel plate shear wall slab，CSPWS）的接觸爆炸試驗，同時利用通過非線性有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，對RCS、SSPSWS和CSPWS在接觸爆炸作用下動態響應和破壞模式進行有限元模擬并與試驗進行比較，為鋼板剪力墻的抗爆設計提供理論依據。

1 爆炸試驗

1.1 試驗概況

根據《鋼板剪力墻技術規程JGJ/T380—2015》規定[13]和室外爆炸場地要求，采用縮尺比1∶4進行幾何縮尺，制作了3 個縮尺比例的鋼筋混凝土板、單側鋼板混凝土板以及夾心鋼板混凝土板試件，并進行正常養護。混凝土澆筑時采用人工振搗方式澆筑，澆筑試件時保留了3 個150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土立方體試件進行抗壓試驗，試驗測試得到3個混凝土立方體試件的抗壓強度分別為30.2、30.9和31.4 MPa，立方體抗壓強度平均為30.8 MPa，軸心抗壓強度20.6 MPa。

鋼筋混凝土板尺寸為1 000 mm×1 000 mm×75 mm，HRB335級鋼筋單層雙向配筋，鋼筋直徑6 mm，間距75 mm，C30混凝土保護層厚度為30 mm，鋼筋混凝土板尺寸及布筋如圖1所示。單側鋼板混凝土板尺寸為1000 mm×1000 mm×75 mm，夾心鋼板混凝土板尺寸為1000 mm×1000 mm×75 mm，均按照《鋼板剪力墻技術規程JGJ/T 380—2015》[13]和幾何縮尺比1∶4設計，鋼板厚度3 mm，栓釘直徑3 mm，由于市面上最小的栓釘直徑為8 mm，試驗采用焊釘加螺帽的形式代替栓釘，焊釘長度25 mm。進行單側鋼板混凝土板試驗時將混凝土面作為迎爆面，同時在混凝土內設置鋼絲網以減小混凝土塊飛濺。單側鋼板混凝土板結構形式及尺寸見圖2，夾心鋼板混凝土板結構形式及尺寸見圖3，試件材料力學性能見表1。

圖1 RCS幾何尺寸及配筋方式（單位：mm）Fig.1 Dimensions of RCSand reinforcement layout (unit in mm)

圖2 SSPSWS幾何尺寸和結構形式（單位：mm）Fig.2 Dimensionsand structural style of SSPSWS(unit in mm)

圖3 CSPWS的幾何尺寸和結構形式（單位：mm）Fig.3 Dimensionsand structural style of CSPWS(unit in mm)

表1 材料力學性能參數Table 1 Mechanical properties of materials

1.2 試驗方案和測點布置

試驗中，制作了支撐和固定混凝土板的鋼框架，試件一對邊為固定約束，另一對邊為自由。由于接觸爆炸易造成中部混凝土沖切破壞，因此位移計和加速度計布置在爆炸點周圍，測點布置如圖4所示。利用G型夾這種近似固支的方法將試驗板對邊固定在鋼架上，采用400 g 乳化炸藥接觸爆炸，炸藥放置于板面中心引爆，采用位移傳感器、加速度傳感器和動態采集儀等進行數據采集，試驗裝置如圖5。試驗板下表面布置3個位移傳感器和3 個加速度傳感器，位移計測點用D1、D2和D3表示，加速度計測點用A1、A2和A3表示。

圖4 測點布置圖Fig.4 Arrangement diagram of measure points

圖5 試驗布置圖Fig.5 Experimental setup

圖6 數值分析模型Fig.6 Numerical model

2 數值模型與材料參數

2.1 有限元模型

按照試件尺寸，運用ANSYS/LS-DYNA 完成實體建模、材料定義、接觸定義、網格劃分以及邊界條件定義。考慮到構件和荷載的對稱性，同時為了減少計算量，建模時只建立四分之一模型，如圖6所示。在實體建模中，混凝土、空氣和炸藥采用solid 單元建模，鋼筋和栓釘采用link 單元建模，鋼板用shell 單元建模。試驗中采用400 g 乳化炸藥，按照0.7的換算系數相當于280 g TNT炸藥當量，建模時采用高能炸藥材料模型，密度為1.63×103kg/m3，因此按四分之一建模時炸藥尺寸為35 mm×35 mm×35 mm。

采用多物質ALE 算法，建立實體模型的同時建立炸藥和空氣模型。鋼筋和混凝土采用Lagrange 網格，空氣和炸藥則采用Euler 網格，通過關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID進行耦合計算。同時，通過添關鍵字*MAT_ADD_EROSION 控制混凝土單元失效。選擇混凝土最大有效應變作為控制混凝土單元失效的準則，混凝土單元失效后自動被刪除，可以避免網格扭曲造成的計算精度下降、計算步長變小等問題，取值為0.01[14]。

2.2 材料模型

2.2.1混凝土

混凝土采用*CONCRETE_DAMAGE_Rel3[15]材料模型，該模型是在*CONCRETE_DAMAGE模型基礎上改進的塑性混凝土材料模型，考慮損傷和應變率的影響，用于模擬混凝土在爆炸沖擊荷載作用下的受力性能，應用較廣泛。該模型可以通過給定混凝土無約束抗壓強度、混凝土材料密度和泊松比自動生成模型其余參數。靜載下混凝土立方體抗壓強度fu=30 MPa，密度ρ =2.4 g/cm3，泊松比ν=0.19。

在爆炸荷載作用下，混凝土的抗壓和抗拉強度受應變率的影響而得到一定程度的提高，引入動力增大系數κ[16]來考慮應變率效應，κ 表示在某一應變率下材料動力強度與靜力強度的比值。其中，混凝土抗壓強度動力增大系數κc通過以下公式[17]確定：

3 試驗與數值結果

3.1 試件RCS

3.1.1破壞情況

當炸藥在鋼筋混凝土板板面引爆時，爆炸產生的壓縮波首先作用于迎爆面，在迎爆面會形成壓縮漏斗坑。隨后壓縮波在板內傳播，到達背爆面時發生反射形成反向拉伸波，背爆面混凝土受拉伸波作用達到其抗拉強度發生層裂破壞，產生震塌漏斗坑。隨著藥量增大，迎爆面的壓縮漏斗坑與背爆面的震塌漏斗坑逐步擴大，當它們貫通時即產生貫穿破壞。由于混凝土的抗拉強度遠低于其抗壓強度，因而當混凝土板很薄或藥量很大時，背爆面整體被沖切下來，發生沖切破壞。

圖7為爆炸荷載作用下數值與試驗分析的損傷模式。由圖7可知，試驗混凝土板中心裝藥處已經貫穿，中心混凝土發生沖切破壞，鋼筋裸露，迎爆面爆坑尺寸360 mm×300 mm，背爆面震塌坑尺寸410 mm×400 mm。數值混凝土板模型中心也發生貫穿，洞口周圍混凝土單元雖未失效，但與周圍混凝土單元已脫離連接，試驗中表現為被沖切下來的混凝土塊，同時爆坑中鋼筋裸露。迎爆面爆坑尺寸300 mm×300 mm，與試驗相差16.7%，背爆面震塌坑尺寸380 mm×360 mm，與試驗相差16.6%。結果表明，數值結果測點位移和加速度趨勢與試驗結果相近，略有下降。原因可能是，數值分析時采用了理想的固定約束，而試驗中僅采用了一種近似固支的方式，造成一定誤差。同時，由于試驗中炸藥爆炸產生空氣沖擊波的三維分布不均衡，受炸藥類型及形狀、起爆條件、實際起爆點位置和炸藥靶板相對位置等多種因素綜合影響，而數值分析時仍然采用了理想的起爆方式及炸藥靶板相對位置，同時炸藥形狀數值模型與實際也有一定偏差，因此會造成數值模擬與試驗結果的差距。

圖7 RCS的試驗與數值結果（單位：mm）Fig.7 Experimental and numerical results of RCS(unit in mm)

圖8為爆炸后試驗混凝土板裂縫圖。由圖8可知，混凝土板迎爆面爆坑周圍有多條徑向壓縮裂縫，背爆面出現多條徑向拉伸裂縫，迎爆面與背爆面徑向裂縫周圍均產生多條放射狀小裂紋。模擬結果顯示迎爆面及背爆面均出現不同程度徑向裂縫，背爆面裂縫數量明顯多于迎爆面。造成上述的原因是背爆面受拉伸波作用，迎爆面受壓縮波作用，而混凝土抗拉強度遠低于抗壓強度。

圖8 試件RCS裂縫圖Fig.8 Cracks of RCS

3.1.2鋼筋變形

圖9表示的是接觸爆炸作用下試件RCS的鋼筋撓曲變形圖。由圖9可知，鋼筋在爆炸波作用下發生嚴重的撓曲變形。試驗測量得到的鋼筋最大撓度如圖10所示，考慮鋼筋直徑和混凝土保護層厚度的影響，試驗得到的撓度為50 mm。數值模擬得到的試件RCS跨中鋼筋撓度為48.3 mm，與試驗相差3.4%，數值計算結果與試驗結果誤差較小，表明數值模型能有效模擬出鋼筋的變形情況。

圖9 鋼筋變形Fig.9 Deformation of rebar

圖10 跨中撓度Fig. 10 Deflection of rebar in midspan

3.1.3位移與加速度

圖11 試件RCS測點位移時程曲線Fig.11 Displacement time history of RCSspecimen

圖12 試件RCS測點加速度時程曲線Fig.12 Acceleration time history of RCSspecimen

3.2 試件SSPSWS

3.2.1破壞情況

圖13為爆炸荷載作用下試件的試驗與數值損傷模式圖。由圖13可知，混凝土板中心產生爆坑，將試驗板從加載臺卸下后爆坑中混凝土全部脫落，暴露出底部鋼板，連接鋼板和混凝土板的栓釘拔出，部分栓釘在焊點處剪斷。表2給出了試件SSPSWS 試驗與數值破壞面積。由表2可知，試驗迎爆面爆坑尺寸470 mm×300 mm，數值迎爆面爆坑尺寸440 mm×360 mm，相差12.3%。

圖13 試件SSPSWS試驗及數值分析結果（單位：mm）Fig. 13 Experimental and numerical results of SSPSWS(unit in mm)

表2 試件破壞尺寸對比Table2 Comparison of damagearea for different specimens

由圖14可知，混凝土迎爆面出現橫向和縱向4條大裂縫，平行固支邊方向裂縫貫通，同時出現2條徑向斜裂縫。由于試驗板背面有鋼板的存在不便觀察混凝土部分背爆面的裂縫開展情況，但從圖13數值結果可以看出，混凝土背爆面爆坑周圍出現環形裂縫，且出現多條徑向裂縫，裂縫數量明顯多于迎爆面。

3.2.2鋼板及栓釘

圖15是鋼板跨中撓度。試驗所得的鋼板中心豎向變形為40 mm，數值分析得到的跨中撓度為36.3 m，與試驗誤差為9.2%。圖16是試件SSPSWS中鋼板及栓釘試驗與數值結果。由圖可知，試件鋼板中心鼓起，出現盤型凹陷。從圖16(b)～(d)可以看出鋼板邊緣出現皺曲變形，試驗豎向最大變形問題27 mm，數值豎向最大變形為20 mm，鋼板與混凝土發生剝離，栓釘被拔出。鋼板中心栓釘已與鋼板脫離，周圍栓釘發生彎曲變形。

圖14 試件SSPSWS裂縫Fig.14 Cracks in SSPSWS

圖15 鋼板跨中撓度Fig.15 Deflection in midspan of steel plate

圖16 鋼板及栓釘試驗與數值分析結果Fig.16 Experimental and numerical results of steel plateand weld studs

3.2.3位移和加速度

圖17是試件SSPSWS測點位移時程曲線，試驗位移曲線整體趨勢與模擬結果基本吻合。由于鋼板的存在，增大了SSPSWS的抗彎剛度，混凝土板測點位置的位移無激增現象，數值分析位移時程曲線顯示測點位移曲線趨于平緩，最終穩定在一個固定值。圖18所示為測點加速度時程曲線，2 000μs內測得包含2個測點。由試驗和數值結果可知，試件SSPSWS測點的加速度峰值低于RCS測點加速度的峰值，且由于A2測點距跨中距離相對較遠，A2測點峰值加速度也低于A1與A3測點峰值加速度。

圖17 試件SSPSWS測點位移時程曲線Fig.17 Displacement time history of SSPSWSspecimen

圖18 試件SSPSWS測點加速度曲線Fig.18 Acceleration time history of SSPSWSspecimen

3.3 試件CSPWS

3.3.1破壞情況

圖19和圖20所示為爆炸作用下試件CSPWS的試驗與數值損傷模式和裂縫圖。

圖19 試件CSPWS試驗及數值結果（單位：mm）Fig.19 Experimental and numerical results of CSPWSspecimen (unit in mm)

圖20 試件CSPWS裂縫圖Fig.20 Cracksof CSPWSspecimen

圖21 試件CSPWS震塌Fig.21 Broken CSPWS

由圖可知，迎爆面形成一尺寸為400 mm×350 mm 的爆坑，將爆坑中脫落混凝土清除后，未見到鋼板裸露，爆坑周圍出現清晰的環形裂縫和多條徑向裂縫，迎爆面混凝土部分整體性較好。由圖21可知，背爆面剝落下尺寸較大的混凝土塊，在背爆面產生了大面積震塌坑，鋼板和栓釘裸露，徑向裂縫數量多于迎爆面且裂縫寬度較大，背爆面混凝土部分整體性較差，其原因為混凝土中無連接鋼筋。由數值結果可知，試件CSPWS背爆面產生大面積震塌坑，且僅靠近跨中部分混凝土達到其抗拉強度而失效，大部分混凝土則是因背爆面產生的巨大貫穿環形裂縫而被沖切下來。試驗中迎爆面爆坑尺寸400 mm×350 mm，數值結果迎爆面爆坑尺寸350 mm×330 mm，結果相差17.5%，試驗背爆面震塌坑尺寸560 mm×520 mm，數值結果為520 mm×480 mm，相差14.3%。試驗和數值結果產生誤差的原因可能是試驗試件的材料存在離散性，而數值模型采用較為理論的材料模型。

3.3.2鋼板及栓釘

圖22是鋼板跨中變形圖。考慮到混凝土厚度和混凝土板撓曲，跨中變形34 mm，數值結果的跨中變形為26.3 mm。栓釘完整性較好，僅產生輕微彎曲變形。圖23是試驗后的試件CSPWS側面圖，上、下測混凝土均在跨中產生貫穿裂縫，混凝土板及鋼板跨中有明顯撓度。

圖22 鋼板跨中撓度Fig.22 Deflection in midspan of steel plate

圖23 試件CSPWS撓曲變形Fig.23 Deflection of CSPWS

4 對比分析

表2表示的是試件RCS、SSPSWS和CSPWS的混凝土塑性損傷面積對比。由表2可知，試件SSPSWS和試件CSPWS迎爆面及背爆面破壞尺寸相對于RCS均有擴大。試驗迎爆面分別增大31%和29.6%，CSPWS試驗背爆面增大77.5%。SSPSWS數值迎爆面增大76%，CSPWS數值迎爆面增大28.3%，CSPWS數值背爆面增大82.5%。其原因可能是RCS發生沖切破壞，混凝土壓縮剝落消耗了爆炸的能量，而試件SSPSWS和CSPWS未配置分布鋼筋通過鋼板和栓釘相連，其連接性能弱于分布鋼筋，同時混凝土抗拉性能較差，導致背爆面的混凝土剝落和鋼板的變形消耗爆炸能量。

試件RCS在試驗后由于產生貫穿裂縫，整體性較差，已經不具備繼續承載的能力。試件CSPWS背爆面爆坑尺寸遠大于試件RCS的背爆面爆坑，且試件CSPWS背爆面混凝土部分由于發生沖切，產生的混凝土震塌塊尺寸也相對較大。但CSPWS整體性較好，仍具有繼續承載的能力。

試件SSPSWS和試件CSPWS能有效減少跨中撓度，試件SSPSWS的跨中撓度相對鋼筋混凝土板減少24.8%，試件CSPWS的跨中撓度相對試件RCS減少45.5%。同時由于鋼板的作用，試件SSPSWS和CSPWS具有較大的抗彎剛度，因此撓度變形較小，且能保持完整性。

5 結論

根據《鋼板剪力墻技術規程JGJ/T380—2015》設計并制作了3個RCS、SSPSWS和CSPWS縮尺試件，利用試驗和數值方法研究了接觸爆炸作用下不同鋼板混凝土剪力墻試件的抗爆性能，得到了不同試件的爆炸破壞模式，跨中撓度和不同測點的動力響應，結論如下：

（1）接觸爆炸作用下，試件RCS、SSPSWS和CSPWS呈現3種不同的破壞模式。試件RCS發生沖切破壞，試件SSPSWS和CSPWS的跨中爆點位置的混凝土發生受壓和受拉的破摔和剝落，脫落混凝土周圍存在環向裂縫和多條徑向裂縫。

（2）試件RCS、SSPSWS和CSPWS背爆面產生混凝土震塌現象，CSPWS背爆面混凝土受拉伸波作用震塌坑尺寸較大，產生了塊徑較大的混凝土沖切塊，RCS因震塌產生的混凝土面積明顯小于CSPWS產生的混凝土剝落，但是RCS發生貫穿破壞，喪失承載能力。

（3）試件SSPSWS和CSPWS由于墻體中鋼板的存在，在接觸爆炸中未發生貫傳破壞，且跨中撓度較小，整體性較好，仍具有繼續承載的能力。SSPSWS和CSPWS加速度峰值低于RCS的加速度峰值，表明雙鋼板混凝土剪力墻結構可降低結構在接觸爆炸荷載下的動態響應。

（4）試件SSPSWS的連接栓釘發生破壞，混凝土層產生彎曲破壞，且混凝土和鋼板層發生分離而喪失整體性，故需增加分布鋼筋層用于結構防護；CSPWS中鋼筋層可以保持結構的整體性，且能有效減小板的跨中撓度、動態響應和混凝土碎片飛濺程度，可用于結構防護，增加分布鋼筋或鋼絲網可增強結構的整體性和抗爆能力。