汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计较与数值阐发 时候：2014-12-30来历：中国防爆网作者：阅读次数：1079 汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计较与数值阐发伍俊1， 2，刘晶波1，杜义欣（ 1.清华年夜学土木匠程系，北京100084 2.总参工程兵科研三所，河南洛阳471023）塑性动力计较方式。按该方式设计了一种钢板混凝土装配式防爆墙组合布局，并与有限元数值阐发成果进行了比力。成果注解，按该方式设计的防爆墙布局，其设计荷载只有其峰值压力的五分之一，能很好地阐扬防爆墙布局塑性变形的特点，具有较年夜的经济价值。

0引言装配式防爆墙是主要建筑物防护可骇爆炸攻击的主要办法之一[1， 2 ].它的首要感化是削减可骇爆炸对建筑物布局的粉碎效应，将所要防护的方针与爆炸源尽量地隔分开来，并可以按照分歧爆炸要挟品级和方针的主要水平矫捷地进行设置。在所有的可骇爆炸攻击中，以汽车炸弹爆炸要挟年夜，不但爆炸当量年夜、杀伤力强，并且投放平台具有加快冲击的功能，一旦汽车炸弹爆炸成功，年夜多会造成建筑物严重粉碎和年夜量人员伤亡，给社会造成极年夜的影响。今朝对汽车炸弹酿成的布局粉碎效应阐发，根基上是遵照相干规范的经验公式估算出爆炸峰值压力，但对其感化时候和防爆墙布局答应发生较年夜塑性变形的特点研究不多，因此难以获得公道的防爆墙布局设计荷载。

本文按照汽车炸弹攻击特点，对其进行了分类评估，计较了汽车炸弹近地爆炸空气冲击波参数，提出了防爆墙布局等效静载的弹塑性动力计较方式，获得了荷载系数与超压感化时候、延性比等设计参数之间的关系。在此根本上，设计了一种钢板混凝土组合的装配式防爆墙布局，进行了有限元数值计较阐发比力，为防护汽车炸弹对主要建筑物可骇攻击供给了一种适用的防爆墙工程计较方式和有用的防护办法。

1汽车炸弹攻击特点和分类汽车炸弹攻击常常具有很强的隐藏性，凡是采取两种实行方式：一是行进中的汽车炸弹，可骇份子驾驶装有炸弹的车辆，直接撞向方针并引爆炸弹实行进犯，常表示为正常行驶的车辆忽然加快冲向方针二是可骇份子将装有炸弹的车辆隐藏地停放在方针四周，利用延时器或用遥控装配引爆火药实行进犯。这两种法子均具有很强的隐藏性和杀伤力。按照美国联邦应急治理局第426号文件的描写和汽车炸弹爆炸粉碎效应资料阐发[3～6 ]，年夜范围卡车炸弹攻击的装药量通常是10 000 lb （等效TNT装药或更多，取决在运输火药的卡车尺寸和载重量小货车和小轿车的装药量别离约为效装药226. 8 kg）。本文以小轿半岛体育车汽车炸弹装药量为首要设计指标，对装配式防爆墙组合布局进行设计与计较阐发，其它汽车炸弹防护可以经由过程采取加年夜爆炸距离体例斟酌。

2汽车炸弹近地爆炸空气冲击波参数汽车炸弹爆炸因为有汽车底盘的关系，凡是表示为近地面爆炸体例，爆炸装药中间高度一般取为防灾减灾工程学报爆炸后冲击波以球面波的外形传布，在跨越爆炸高度后，一部门向下传布的冲击波与地面碰撞产生正反射，跟着逐步分开爆心投影点，入射波以与地面成h的夹角向别传播，跟着地面距离的增年夜，入射角h也愈来愈年夜，而入射波阵面与反射波阵面之间的夹角愈来愈小。当h时，反射波阵面遇上并与入射波阵面贴合，成为另外一个单一的冲击波，称为合成波（马赫波），此中h是构成马赫反射的临界角。

由此可知，在近地面爆炸时，可以把全部地面分为两个区域：一是离爆心投影点距离小在H×tgh的地面规模称为法则反射区，也称爆炸近区，在这个区域中的建筑物和方针都要承受两次冲击波的感化，即先是入射波后是反射波的感化二是离爆心投影点距离年夜在的地面规模称为不法则反射区，也称爆炸远区，在这个区域中的建筑物或方针如在合成波高度（三重点）以下时，只承受合成波的感化。

为避免防爆墙承受两次冲击波的感化，一般将防爆墙设置在离爆心年夜在的位置。工程上可以经由过程在防爆墙前设置路障（路刺）的体例实现，这个为了直不雅地显示汽车炸弹爆炸冲击波随距离的衰减纪律，本文以小轿车汽车炸弹226. 8 kgTN T裸状团体装药爆炸为例，参照文献[7]中的经验公式，经计较回归获得空中爆炸和地面爆炸时冲击波入射峰值压力、等效感化时候与爆距的关系，如图1所示。

由图1可以看出，空中爆炸时，在8. 5 m距离处冲击波超压为0. 5M Pa，等效正压感化时候为4. 5m s地面爆炸时，因为地面反射感化，使冲击波加强，在10 m距离处冲击波超压为0. 5 M Pa，等效感化时候为4. 8 m s.在比例爆炸高度H /W时[8 ]，近地爆炸冲击波参数近似按地面爆炸计较是偏在平安的，压力时程曲线取为突加三角形。

3防爆墙布局弹塑性系统等效静载计较3. 1弹塑性动力阐发为削减防爆墙布局在爆炸荷载感化下弹塑性动力计较的复杂性，便在在工程设计中利用，本文将防爆墙布局简化为等效单自由度系统进行弹塑性动力阐发。按照等效单自由度弹塑性理论，感化在防爆墙布局上的等效静载取决在爆炸冲击波超压、感化时候和布局的自振频率。当近地爆炸发生的突加三角效感化时候与爆距的关系形荷载的等效感化时候t很小时，就会呈现年夜动力反映时候t的环境。

在弹性阶段，动力等效系统的活动微分方程为式中W 为构件的动挠度为弹性荷载质量系数l为构件跨（高）度K为构件的等效弹簧系数m为等效质量为冲击波超压峰值f 为荷载时程函数。对突加三角形荷载在t时刻，弹性阶段挠度和速度别离到达W和T.弹性阶段竣事，进入塑性阶段，此时的动力等效系统的活动微分方程为式中k为塑性荷载质量系数为塑性阶段构件的抗力。

由式（ 1）可以获得伍俊等：汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计较与数值阐发时：将式（ 3）积分一次，得再将式（ 8）积分一次，得在弹性系统的等效静载法中，动力系数在弹塑性系统的等效静载法中，荷载系数因为汽车炸弹爆炸发生的冲击波感化时候短，布局到达塑性的时候这时候布局进入塑性的时候存在两种环境，即t和t m，以下别离会商。

的环境。

对弹塑性系统，由式（ 11）、式（ 6）可得：i，经由过程推导获得这就是荷载系数k与延性比U和kt的关系式。

当很小时，此式可以进一步简化为的环境。

令θm，则有θm，经由过程推导获得上式中有和θ三个未知量，可以编制计较机法式用试算法求解。由式（ 14）、式（ 15）计较获得的荷载系数k、延性比U和kt成果如表1所示，该表可直接用在对防爆墙布局的工程设计。

3. 2装配式防爆墙工程设计较例装配式防爆墙设计为钢板和混凝土组合布局，面板由带若干内加筋的双层钢板构成，钢面板厚3. 5 mm，内填轻骨料混凝土单位构件之间采取设计的弹簧钢U型扣的体例毗连，与地面的固定毗连硬地用膨胀螺栓，软地盘基用带倒刺的制式钢钎的关系防灾减灾工程学报为设计平安斟酌，假定防爆墙迎爆面超压峰值平均散布，按上述等效静载设计方式对装配式防爆墙组合布局进行弹塑性动力计较。对钢板混凝土组合布局刚度的计较，按组合布局等刚度换算截面方式[9 ]，即把组合布局中钢板的厚度除以混凝土与钢的弹性模量比，换算成等效混凝土截面后计较刚度。

换算后的防爆墙布局简化成一端固定一端自由的梁式计较模子，其自振圆频率为式中k为自振圆频率（ 1 /s）h为墙的等效厚度（m ）h为刚度折减系数E为换算后墙的等效弹性模量（N /m g为重力加快度（m /s d为换算后墙的等效密度（kg /m经由过程式（ 16）计较获得墙的自振圆频率k=装配式防爆墙以小轿车汽车炸弹（等效TN T药量226. 8 kg）为首要设计指标，爆炸距离取为10 m，由图1计较成果获得防爆墙迎爆面入射超压峰值为0. 5 M Pa，反射超压峰值按墙面平均计较取为1. 0正压感化时候为4. 8m s，超压时程曲线为突加三角形。按照kt = 0. 828，斟酌到防爆墙自己是一种答应发生较年夜塑性变形的防护樊篱布局，取延性比U= 3，查表1，获得荷载系数k配式防爆墙组合布局设计等效静载为有了等效静载，便可按布局静力计较手册或布局力学的计较方式，进行布局阐发和工程设计。

4爆炸荷载感化下防爆墙布局有限元数值阐发为了对照研究，本文彩用LSDYNA有限元法式进行汽车炸弹爆炸对装配式防爆墙感化数值计较阐发。整体计较模子和防爆墙单位网格如图2所示。

假定空气、火药为平均持续介质，装配式防爆墙布局尺寸如上所示，斟酌到防爆墙长度很长，鸿沟用法式中的无反射鸿沟（粘性鸿沟）摹拟，全部爆炸进程为绝热进程，采取226. 8 kg立方体TN T团体火药摹拟汽车炸弹，爆高0. 6 m，爆炸距离为10 m，中间起爆。计较采取的材料本构模子和输入参数如表2所示材料DYNA材料模子和状况方程输入数据火药高爆燃炸模子（ M A T状况方程（ EOS空气材料模子（ M A T线性多项式状况方程（ EOS钢板塑性随动硬化模子（ PLA ST IC混凝土材料模子（ M AT伍俊等：汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计较与数值阐发果和国表里经验公式的对照环境，图4为计较获得的防爆墙前空气冲击波超压时程曲线，图5显示了分歧时刻空气冲击波与防爆墙感化进程。从上述成果可以看出，当比例距离年夜在1时，数值摹拟成果与国内、国外经验公式根基一致当比例距离小在1时，国表里经验公式计较成果相差较年夜，数值摹拟计较成果介在二者之间。防爆墙前空气冲击波年夜超压峰值为0. 55M Pa，感化时候约为5. 5 m s，这个成果与图1中经验公式的计较成果根基一致。别的，从气冲击波超出防爆墙的超压流场成长，可以看出环流压力慢慢构成的进程，合适空气冲击波超出障碍时的物剃头展进程。

进程度处超压峰值和感化时候计较成果。与经验公式计较成果比力，可以看出二者成果在地面和与爆心处较为接近，在离地面年夜在爆心必然高度处，防爆墙反射超压值小在经验公式计较成果，申明在近地爆炸感化下防爆墙上超压散布长短平均的，其巨细与爆炸高度和距离相干。防爆墙上分歧位置位移计较成果以下：墙上距地面0. 6m与爆心程度处位移在6. 5摆布到达年夜值14. 6 mm墙上距地面1. 5m处程度位移在8 m s摆布到达年夜值28. 3 mm，墙顶部程度位移在8 m s时到达年夜值45. 5 mm墙的底部和距地面0. 6 m处有局部塑性变形，防爆墙整体变形不年夜，布局根基连结无缺。

位置墙前（入射）墙上地面处（反射）墙上爆心处（反射）数值成果经验公式成果经验公式成果取自文献[7]防灾减灾工程学报5结论在汽车炸弹爆炸荷载感化下，荷载感化时候常比防爆墙布局根基周期小很多，布局的年夜动力响应产生在荷载衰减到零以后。本文给出了汽车炸弹荷载感化下，斟酌防爆墙布局弹塑性等效静载的计较方式，设计了一种装配式防爆墙组合布局，进行了有限元数值计较的对照研究。阐发计较成果，可以获得以下结论：（ 1）斟酌布局弹塑性特征，其设计荷载比弹性系统小很多。充实阐扬防爆墙组合布局的延性，其设计等效静载只有其超压峰值的五分之一，具有较年夜的经济价值。

（ 2）有限元数值计较成果注解，在比例距离年夜在1时，近地爆炸冲击的入射冲击波超压计较值与地面爆炸规范经验公式根基一致。防爆墙上的压力为非平均散布，接近地概况压力年夜，墙顶压力相对较小，其散布巨细与爆炸高度和爆炸距离相干。

（ 3）采取装配式防爆墙组合布局，可以按照分歧的可骇爆炸要挟品级，矫捷地设置墙与建筑物之间的距离，特殊合适没有前提事前修建好固定式防爆墙的建筑物姑且利用，如年夜型人员勾当场馆、加油站、公家存眷的热门建筑和国度标记性建筑物等。

（ 4）对汽车炸弹近地爆炸空气冲击波参数的计较，因为汽车底盘较低，近似按地面团体装药爆炸计较是偏在平安的。

刘飞，任辉启，王肖均，等。防爆墙在地面主要建筑物反爆炸可骇攻击中的利用[ J ].防护工程， 2004， （ 6）：严东晋，丁娜娜，陈灿寿，等。建筑物外部防爆墙的分类[7 ]王年桥。防护布局计较道理与设计[M ].南京：工程军工程学院出书社， 1998 [8 ]张耀辉。汽车炸弹感化下冲击波的传布纪律和建筑物动力特征[D ].武汉：武汉理工年夜学， 2005. 2345 [9 ]林宗凡。钢混凝土组合布局[M ].上海：同济年夜学出书伍俊等：汽车炸弹爆炸下装配式防爆墙弹塑性动力计较与数值阐发防灾减灾工程学报