新型柵欄式防爆構(gòu)件數(shù)值模擬研究

范鵬震，金佩劍，蔣海峰，祁兵，隋鵬飛

（吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130118）

一、結(jié)構(gòu)與材料的選取

國內(nèi)外對防爆構(gòu)件復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究主要分為：兩層材料組合結(jié)構(gòu)；三層材料（“三明治”）組合結(jié)構(gòu)；多層材料組合結(jié)構(gòu)3種[1]。根據(jù)建造成本等方面考慮，新型柵欄式防爆構(gòu)件選擇三層材料組合結(jié)構(gòu)。當前制備、性能參數(shù)比較完整的夾芯材料可分為：泡沫鋁夾芯材料、金屬型材夾芯材料及聚合物泡沫夾芯材料[2]。這些夾芯材料都具有良好的抗爆、吸能、減震特性，由于泡沫鋁與其他材料相比，有經(jīng)濟的優(yōu)勢，本次構(gòu)件設(shè)計選取泡沫鋁為夾芯材料。鋼作為金屬材料較其他金屬而言，具有很高的抗屈服能力，其原料豐富，性能與經(jīng)濟性能均符合構(gòu)件面板材料所需，次構(gòu)件設(shè)計選取鋼為面板材料[3]。鋼筋混凝土板較其他非金屬材料而言，由于內(nèi)置金屬材料，使其在抗壓、抗拉強度大大提高。并且制備工藝較為簡單，也可選為面板材料。

（一）連接方式

夾芯層材料為泡沫鋁。泡沫鋁與鋼板、泡沫鋁與鋼筋混凝土板有幾種連接方式。當夾芯材料與面板材料存在較大的物理特性差別時，夾芯材料和面板之間的連接牢固情況就比較困難，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性差。對比粘結(jié)、焊接和縫合三種連接方式，本次設(shè)計中選擇焊接的方式作為面板與夾層之間連接。

（二）尺寸確定

單體構(gòu)件尺寸的選擇與柵欄布置相結(jié)合，若整個單體構(gòu)件尺寸過大，則會減弱整體布置時的對波的消減能力。選擇柱體構(gòu)件尺寸為：柱體高度150cm，柱體寬度10cm，柱體厚度10cm，面板材料厚度2cm，夾芯層材料厚度8cm。

（三）結(jié)構(gòu)簡圖

復(fù)合構(gòu)件結(jié)構(gòu)上取三層材料組合結(jié)構(gòu)，構(gòu)件截面為矩形，兩層夾板與內(nèi)部夾芯材料采用焊接的方式。面板材料選用Q235鋼與鋼筋混凝土板兩種常見材料，根據(jù)宗瑞卿[3]等人對新型護欄型結(jié)構(gòu)防爆墻研究，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如下圖1所示。

圖1 柵欄式防爆墻單體構(gòu)件設(shè)計

二、有限元模型的建立

選鋼—泡沫鋁—鋼與鋼筋混凝土—泡沫鋁—鋼筋混凝土兩種試件，利用LS-DYNA有限元仿真軟件模擬，分析每種構(gòu)件的抗爆效果，選擇其中吸能抗爆效果最佳的構(gòu)件設(shè)計，作為柵欄式防爆墻的單體構(gòu)件。

基于LS-DYNA有限元程序建立仿真計算模型如圖2所示，柱體高度H取150cm，柱體寬度取10cm，柱體厚度取10cm（面板厚度取1cm，夾芯層厚度取8cm），TNT位于空氣邊界50cm，與柱體爆炸距離H取2.5m。爆高為0m。構(gòu)件采用TNT爆炸沖擊下動力學(xué)響應(yīng)仿真，爆炸過程的描述采用多物質(zhì)流固耦合算[4]。TNT與空氣選用多物質(zhì)網(wǎng)格ALE算法，泡沫鋁與鋼板、泡沫鋁與鋼筋混凝土板等固體物質(zhì)之間則采用拉格朗日（Lagrange）單元算法，鋼筋混凝土板、鋼板與泡沫鋁之間連接均選用無節(jié)點連接，鋼板與空氣選用流固耦合，使用關(guān)鍵字*CONSTRAINE_LAGANGE_IN_SOLID進行定義。單位制選用cm-g-μs。根據(jù)柱體周邊環(huán)境和計算機設(shè)備性能，選取空氣域的大小為：長度×寬度×高度=300cm×100cm×200cm。假設(shè)爆炸的整個過程為絕熱過程，空氣和炸藥之間屬于連續(xù)介質(zhì)模型。空氣模型中除底部為地面外，其余的五面均采用無反射邊界條件。柱體底部地面采用固定約束，其他面無約束，均為自由面[5]。

圖2 計算模型

（一）炸藥模型及參數(shù)選取

炸藥材料為TNT炸藥，選擇材料庫中提供的008號材料模型：高燃炸藥（MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN）模型。本次采用EOS_JWL狀態(tài)方程描述定義TNT炸藥的爆炸[6]。關(guān)系表達式為：

式中：A，B，R1，R2，ω為狀態(tài)方程參數(shù)；P為爆轟過程產(chǎn)生的壓力，Pa；V為炸藥的相對體積；E0為炸藥所擁有的初始內(nèi)能，J/m3。

炸藥參數(shù)如下表1所示。

表1 TNT炸藥材料參數(shù)

（二）空氣模型及參數(shù)選取

爆炸過程假設(shè)為絕熱過程，空氣材料為無粘性理想氣體，選用數(shù)據(jù)庫中MAT_NULL模型，整個爆炸過程中空氣的變化情況采用線性多項式（EOS_LINEAR_POLYNOMIAL）來進行描述[7]，表達式為：P=C0+C1μ+C2μ3+(C4+C5+C6μ2)E

式中：μ=(1/V)-1；

E為空氣所具有的初始內(nèi)能。

空氣參數(shù)如下表2所示。

表2 空氣材料參數(shù)

（二）鋼板材料模型及參數(shù)

鋼板選用塑性運動（MAT_PLASTIC_KINEMATIC）模型，參數(shù)如下表3所示[5]。

表3 鋼板材料參數(shù)

（四）泡沫鋁模型及參數(shù)選取

閉孔泡沫鋁材料吸收能量的效率要比開孔泡沫鋁材料的更高[8]。夾層材料的結(jié)構(gòu)形式選用閉孔泡沫。閉孔泡沫鋁的材料模型選擇材料庫中的可壓縮性 泡 沫 材 料（MAT_CRUSHABLE_FOAM）模 型，參數(shù)如下表4所示。

表4 泡沫鋁材料參數(shù)

（五）鋼筋混凝土模型及參數(shù)選取

鋼筋混凝土板的模型描述采用數(shù)據(jù)庫中MAT_BRITTLE_DAMAGE彈性損傷模型。具體參數(shù)如下表5所示。

表5 鋼筋混凝土材料參數(shù)

三、數(shù)值模擬與結(jié)果分析

下文將鋼板—泡沫鋁—鋼板構(gòu)件稱為1號構(gòu)件，鋼筋混凝土板—泡沫鋁—鋼筋混凝土構(gòu)件稱為2號構(gòu)件。本次仿真為兩種構(gòu)件在相同當量的TNT爆炸荷載作用下構(gòu)件的動力學(xué)響應(yīng)情況。

（一）兩種構(gòu)件整體變形情況分析

圖3中A、B、C三個字母分別代表泡沫鋁、前受壓面鋼板及后受壓面板鋼板材料，圖4中A、B、C三個字母分別代表泡沫鋁材料、前受壓面鋼筋混凝土板及后受壓面板鋼筋混凝土板材料；1號構(gòu)件在沖擊波的作用下產(chǎn)生的最大變形量為3.65，2號構(gòu)件在沖擊波的作用下產(chǎn)生的最大變形量為14，2號構(gòu)件的變形量為1號構(gòu)件的3.5倍。由此可知1號構(gòu)件有較好的抗爆吸能效果，并且能更好地保持自身的完整。

圖3 1號構(gòu)件總體變形情況

圖4 2號材料總體體變形情況

（二）兩種構(gòu)件峰值壓力隨時間變化曲線分析

圖5中A、B、C分別代表夾層泡沫鋁材料、受壓面鋼板、后部鋼板，圖6中A、B、C分別代表受壓面鋼筋混凝土板、泡沫鋁、后部鋼筋混凝土板；從圖中可以看出，兩種構(gòu)件壓力隨著時間的變化曲線大致相同。圖6中泡沫鋁的壓力峰值為2.5，由此可以看出1號構(gòu)件泡沫鋁對能量的吸收大于2號構(gòu)件。1號構(gòu)件與2號構(gòu)件的受壓面板的壓力時間變化曲線基本一致，受到的壓力基本趨于0，1號材料與2號材料后部面板所受到的峰值壓力隨時間變化的趨勢也基本相同，但1號構(gòu)件中的材料在3個單位時間后所受壓力明顯增大，最大應(yīng)力峰值超過1；2號材料壓力沒有1號材料增大明顯，最大壓力峰值為0.5。兩者受到相同沖擊情況下2號材料的變形大于1號材料。

圖5 1號構(gòu)件壓力峰值時間曲線

圖6 2號構(gòu)件壓力峰值時間曲線

四、結(jié)論

通過以上的模擬仿真得知鋼板—泡沫鋁—鋼板更適合作為防爆墻的單體構(gòu)件，并得出以下結(jié)論：

1.鋼板—泡沫鋁—鋼板構(gòu)件比鋼筋混凝土板—泡沫鋁—鋼筋混凝土構(gòu)件抗爆吸能效果好，并且能更好保持自身的完整。

2.受到相同tnt爆炸物沖擊下，鋼板—泡沫鋁—鋼板構(gòu)件比鋼筋混凝土板—泡沫鋁—鋼筋混凝土構(gòu)件變形情況小。

（3）鋼板—泡沫鋁—鋼板構(gòu)件的抗壓能力高于鋼筋混凝土板—泡沫鋁—鋼筋混凝土構(gòu)件。