內爆作用下RC框架結構填充墻泄爆面積研究★

龐學港，李 娟，劉 香，劉佳偉

(內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

我國現有公共建筑廣泛采用RC框架結構，這些公共建筑在結構設計時，大多沒有考慮爆炸荷載對結構的破壞作用。近年來，恐怖襲擊與意外爆炸事件頻頻發生，在內爆作用下對建筑結構造成嚴重的破壞，同時對人員傷亡和財產損失造成嚴重的威脅。目前已有相關研究者證明設置加固泄爆組合墻體可以有效減輕結構構件的破壞程度以及減小人員傷亡與財產損失，而加固泄爆組合墻體中合理的泄爆面積對減輕結構構件破壞至關重要[1-4]。所以本文針對RC框架結構墻體在內爆作用下設置合理的泄爆面積進行研究。

1 有限元模型建立

1.1 模型概況

為提高計算效率，從某實際工程中截取2層3×3跨RC框架結構，層高均為4.5 m。房間、測點位置與建筑平面圖如圖1(a)所示，三維模型如圖1(b)所示。將40 kg TNT放置于2層不同類型房間的中部，起爆點高度為層高1/2。填充墻采用加氣混凝土砌塊，外墻和內墻厚度分別為300 mm與200 mm，砌塊強度為B06級，砌筑砂漿強度為M5.0。RC框架結構構件混凝土強度均為C30。樓板厚度為120 mm，柱子截面尺寸為600 mm×600 mm。①～④，，軸梁截面尺寸為350 mm×1 000 mm，，?軸梁與次梁截面面積均為300 mm×800 mm。由于炸藥放置于RC框架結構2層房間內，對底層墻體影響很小，所以模型只建立2層墻體。

1.2 材料模型與參數

鋼筋混凝土、砌塊、泡沫混凝土、碳纖維布、空氣和炸藥的材料模型、狀態方程、單元類型以及單元算法如表1所示。鋼筋和混凝土采用整體式建模，所采用的材料模型能夠很好地描述高應變率條件下混凝土及砌體響應問題，且可直接定義鋼筋的相關參數。該材料失效應變通過關鍵字*MAT_ADD_EROSION定義，流固耦合通過關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來實現。在空氣表面施加無反射邊界條件來避免邊界處沖擊波的反射對求解域影響，同時可以模擬無限大空間。各材料之間的接觸，通過關鍵字*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE來實現接觸類型。炸藥和各構件的網格尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，空氣的網格尺寸為20 cm×20 cm×20 cm，計算終止時間為60 ms[5-7]。

表1 材料模型及算法

2 數值模擬結果對比分析

為了研究內爆作用下RC框架結構加固泄爆組合墻體合理的泄爆面積，本文針對RC框架結構的角部房間和中部房間各建立三組模型，對其破壞形態和壓力時程曲線進行對比分析[8-11]。各模型設計概況如表2所示。

表2 模型設計概況

2.1 角部房間合理泄爆面積的研究

2.1.1 加氣混凝土墻體所確定的泄爆面積

圖2為模型1的破壞形態圖。由圖2可知，2層樓板被炸起呈現上拱，沿塑性鉸開展裂縫；①軸與CD跨框架梁與2層樓板交接處產生較大裂縫，呈彎曲和沖切破壞；一層樓板產生大量裂縫發生破壞，失去荷載承受能力；房間外墻與內墻均被炸飛；次梁跨中嚴重斷裂，且與①～②交于軸框架梁交接處產生較大裂縫；①～②交于軸框架梁跨中與梁柱節點發生輕微裂縫，柱子中部發生斷裂。相鄰房間內墻被炸發生破壞，墻體產生較多建筑碎片，其他結構構件未發生破壞。

圖3為無洞口內墻中心空氣壓力時程曲線。由圖3可知，測點位置在16 ms時達到最大峰值壓力,約為1.75 MPa，之后壓力值逐漸減小，在22 ms時壓力值又持續增大，測點壓力值處于反復。圖4為梁跨中測點的壓力時程曲線。由圖4可知，爆炸沖擊波在20 ms時達到峰值壓力，約為8.2 MPa。由于爆炸沖擊波到達結構構件，對其具有反射作用，所以壓力值在27 ms時逐漸上升，再次達到峰值后下降。由此說明當房間A內泄爆面積占墻體面積的11.3%時，爆炸沖擊波不能很好的耗散，造成測點壓力反復，最終導致結構構件發生更大的破壞。

2.1.2 加固泄爆組合墻體所確定的泄爆面積

圖5為模型2的破壞形態圖。由圖5可知，2層樓板出現裂縫；①軸與CD跨框架梁發生彎曲，出現豎向裂縫；次梁發生剪切破壞出現斷裂；框架柱未發生破壞。內墻采用碳纖維布進行加固，對爆炸沖擊波起到阻擋作用，相鄰房間B內墻體破壞較輕，框架結構主體基本完好。相較于模型1，模型2結構構件破壞有所減小，這是由于模型2泄爆面積占墻體面積的63.7%遠大于模型1泄爆面積占墻體面積的11.3%，模型2能夠將爆炸沖擊波較好地耗散，結構構件受到沖擊波較小。

圖6為無洞口內墻中心A1測點的空氣壓力時程曲線。由圖6可知，在8 ms時A1測點達到最大壓力峰值，約為3.8 MPa。與模型1相比，測點位置壓力峰值有明顯增大且達到峰值時間縮短至8 ms。這是由于對無洞口內墻采用碳纖維布進行加固，爆炸沖擊波到達墻體時，墻體對沖擊波有很強的反射作用。在23 ms時爆炸沖擊波壓力降為0，說明墻體破壞。圖7為梁跨中A2測點壓力時程曲線。由圖7可知，在35 ms時達到最大壓力峰值約為13.7 MPa，出現峰值時間較長。這是由于泄爆墻體將爆炸沖擊波耗散出去后，沖擊波形成環流超壓，持續對框架梁產生作用，直至達到最大壓力峰值后壓力值逐漸下降。

2.1.3 考慮沖擊波對相鄰房間影響所確定的泄爆面積

圖8為模型3的破壞形態圖。由圖8可知，2層樓板出現裂縫，發生沖切破壞；框架梁、柱主要結構構件均未發生破壞，次梁跨中出現豎向裂縫發生破壞；房間內泄爆墻體被炸飛，起到良好的泄爆作用；房間B內結構構件未發生破壞。

圖9為無洞口內墻中心A1測點空氣壓力時程曲線。由圖9可知，在6 ms時達到最大壓力峰值約為3.0 MPa。在5 ms～8 ms壓力值頻率較高，波動幅度大。在24 ms時壓力值為0，說明此時測點位置墻體發生破壞。相較于模型2，最大壓力峰值略小，同時出現時間減短、墻體破壞時間相近。圖10為梁跨中A2測點壓力時程曲線。由圖10可知，最大壓力峰值在39 ms左右出現，約為18 MPa，高于模型1與模型2。

通過對模型1～模型3的無洞口內墻中心、梁跨中時程曲線和結構構件破壞形態進行對比分析，可知模型1樓板、框架梁柱及墻體主要結構構件受損最為嚴重，不能繼續正常使用；模型2框架梁發生一定程度的破壞，框架柱未發生破壞，框架結構整體完好；模型3主要結構構件未發生破壞，框架結構整體完好。

2.2 中部房間合理泄爆面積的研究

2.2.1 加氣混凝土墻體所確定的泄爆面積

圖11為模型4的破壞形態圖。由圖11可知，2層樓板被爆炸沖擊波沖擊破壞，出現較多明顯的沖切裂縫；②～③交 于軸框架梁與次梁連接處出現較大裂縫，次梁跨中發生破壞；②交于軸框架柱底部出現裂縫；房間B內墻體破壞嚴重，產生大量建筑碎片。相鄰房間A外墻出現裂縫，發生破壞。

圖12,圖13分別為無洞口內墻中心B1測點與邊梁跨中B2測點壓力時程曲線。由圖12，圖13可知，B1測點在32 ms時達到最大壓力峰值，約為2.4 MPa，在炸藥爆炸后B1測點壓力值一直持續波動，并在22 ms后逐漸增大，直至達到最大壓力峰值。B2測點在31 ms時達到最大壓力峰值約為15.0 MPa，達到最大峰值前壓力值持續波動。這是由于墻體全部設置加氣混凝土砌塊墻時，爆炸沖擊波在房間內無法很好地耗散出去，導致在房間內反射，使墻體一直受到沖擊。說明僅墻面孔口作為泄爆面積，即泄爆面積占墻體面積的11.6%時，不能滿足泄爆要求，導致結構構件破壞嚴重。

2.2.2 加固泄爆組合墻體所確定的泄爆面積

圖14為模型5的破壞形態圖。由圖14可知，2層樓板沿梁板交接處發生破壞產生大量裂縫，樓板中部發生沖切破壞出現沿塑性鉸延伸的裂縫；②～③交于軸框架梁出現斜向裂縫；次梁跨中發生彎曲破壞，產生裂縫；框架柱未發生破壞。相鄰房間A墻體發生輕微破壞，整體結構完好。

圖15，圖16分別為無洞口內墻中心B1測點與邊梁跨中B2測點壓力時程曲線。由圖15，圖16可知，由于墻體采用碳纖維布進行加固，爆炸沖擊波達到加固墻體時，對墻體產生更大的反射作用，爆炸沖擊波難以耗散，所以壓力值持續波動，直至15 ms時達到最大壓力峰值約為3.50 MPa；約為23 ms時壓力值將為0，說明此時墻體破壞。B2測點在12 ms時達到最大壓力峰值約23.0 MPa，達到最大壓力峰值之后，壓力值逐漸減小，在20 ms時又有所增大。這是由于爆炸沖擊波對結構構件的反射作用所引起。由此可知，泄爆面積占墻體面積的33.7%時，爆炸沖擊波不能很好的耗散，但優于模型4。相較于模型4，結構構件破壞有所減輕。

2.2.3 考慮沖擊波對相鄰房間影響所確定的泄爆面積

圖17為模型6的破壞形態圖。由圖17可知，2層樓板產生裂縫發生破壞，1層樓板未發生破壞；框架梁、柱均未發生破壞；房間內次梁跨中出現裂縫，發生輕微破壞；泄爆墻體被爆炸沖擊波沖擊破壞，其能夠較好的耗散。相鄰房間A泄爆墻體充分破壞，結構構件完好未發生破壞。

圖18，圖19分別為無洞口內墻中心B1測點壓力時程曲線與邊梁跨中B2測點壓力時程曲線。由圖18，圖19可知，B1測點在18 ms時達到最大壓力峰值約為2.20 MPa，達到最大壓力峰值之前，壓力值波動較大，這是由于內墻加固造成反射所導致。在22 ms時壓力值降為0，說明墻體破壞。B2測點在29 ms時達到最大壓力峰值約為24.0 MPa。達到最大壓力峰值之后逐漸減小，壓力值波動頻率小，說明爆炸沖擊波能夠良好的耗散，結構構件受到爆炸沖擊波反射作用小。相較于模型4與模型5，模型6泄爆面積占墻體面積的51.5%時，爆炸沖擊波能夠更好的耗散，結構構件能夠得到有效的保護。

3 結論

1)RC框架結構中在內爆作用下，角部房間與中部房間填充墻采用加氣混凝土砌塊墻體，即泄爆區域為門窗洞口面積時，爆炸沖擊波在房間中難以耗散，結構構件破壞嚴重，影響建筑物安全使用。

2)當爆炸當量為40 kg，泄爆面積為63.7%時，框架柱未發生破壞，結構構件受到爆炸沖擊波作用較小；泄爆面積為70.6%時，梁、柱構件均未破壞，結構整體完好。對于房間面積70 m2的角部房間設置加固泄爆組合墻體，合理的泄爆面積范圍為63.7%～70.6%。

3)當爆炸當量為40 kg，泄爆面積為33.7%時，梁出現裂縫發生輕微破壞，柱未破壞；泄爆面積為51.5%時，梁、柱構件均未發生破壞，結構整體完好。對于房間面積約為67 m2的中部房間設置加固泄爆組合墻體，合理的泄爆面積范圍約為33.7%～51.5%。

4)RC框架結構中設置加固泄爆組合墻體時，泄爆區域優先選擇設置在外墻；若外墻泄爆區域不能滿足泄爆要求，則選擇有洞口內墻，內墻泄爆區域應設置在墻體上部，且與已有洞口相連通；若三面墻體設置泄爆區域尚不滿足泄爆要求，對無洞口內墻設置泄爆區域，應在墻體上部且不低于2.4 m，水平貫通時避免形成局部小洞口而造成射流，確保相鄰房間人員安全。