阿 帥 磊

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京　210001)

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開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸荷載分布的影響研究

阿 帥 磊

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京210001)

摘要：采用LS-ANSYS程序，對(duì)不同長(zhǎng)寬高比的矩形房間內(nèi)爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)比了不同矩形房間內(nèi)爆炸下房間內(nèi)部超壓曲線，從開(kāi)口面積、位置、形狀、房間尺寸四方面，研究了開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸下房間內(nèi)荷載的影響作用，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：內(nèi)爆炸，荷載，房間，開(kāi)口位置

0引言

隨著當(dāng)代國(guó)際形勢(shì)的變化以及精確制導(dǎo)武器、便攜式炸藥的發(fā)展，建筑內(nèi)爆炸事件時(shí)有發(fā)生。由于內(nèi)爆炸對(duì)建筑內(nèi)部巨大的破壞力，戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)重要軍事設(shè)施的打擊、恐怖活動(dòng)等都越來(lái)越多的側(cè)重于建筑內(nèi)爆炸。伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)、英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中多次使用精確制導(dǎo)導(dǎo)彈直接侵入對(duì)方重要目標(biāo)內(nèi)爆炸，對(duì)目標(biāo)造成致命的打擊；我國(guó)南聯(lián)盟大使館也曾遭導(dǎo)彈直接侵入主體建筑內(nèi)部。由于民族宗教信仰的差異，恐怖活動(dòng)成為當(dāng)今世界和平的一大障礙，恐怖活動(dòng)多發(fā)生在傳統(tǒng)戰(zhàn)亂、沖突的地區(qū)，襲擊目標(biāo)多為地鐵、大型商場(chǎng)、居民地以及具有政治性質(zhì)的建筑，如9·11事件、莫斯科地鐵爆炸事件等。隨著公共場(chǎng)所管控力度的加大，恐怖分子正將目標(biāo)轉(zhuǎn)向居民地、學(xué)校等人口密集的場(chǎng)所，居民住房、工作場(chǎng)所、教室等場(chǎng)所內(nèi)爆炸問(wèn)題的研究越來(lái)越迫切。

為研究?jī)?nèi)爆炸下結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載分布和破壞形態(tài)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的分析研究[1-7]。美國(guó)水道實(shí)驗(yàn)站編寫的TM-851認(rèn)為開(kāi)口影響內(nèi)爆炸荷載的因素主要是開(kāi)口總面積與結(jié)構(gòu)總面積的比值。二十世紀(jì)七八十年代Baker總結(jié)了當(dāng)前的研究成果，總結(jié)出開(kāi)口面積對(duì)內(nèi)爆炸的泄爆影響。國(guó)內(nèi)，姚元文對(duì)全密閉、半密閉空間內(nèi)爆炸做了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)大小比例距離處的正反射沖擊波超壓做了對(duì)比，并對(duì)開(kāi)口的泄爆作用做了研究。鄔玉斌對(duì)地下建筑和隧道內(nèi)爆炸做了數(shù)值模擬計(jì)算，分析得出了內(nèi)爆炸反射峰值超壓和沖量的分布規(guī)律和衰減規(guī)律。Edri等對(duì)含有開(kāi)口的方形密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸做了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出炸藥內(nèi)爆炸的超壓分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與UFC規(guī)范吻合較好。Tian等對(duì)立方形密閉空間內(nèi)爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬超壓分布規(guī)律的數(shù)據(jù)庫(kù)的分析確立了通過(guò)插值算法計(jì)算內(nèi)爆炸超壓的方法，并用實(shí)例驗(yàn)證了此方法的可行性。黃雪峰等在對(duì)艦艇組合艙室內(nèi)爆炸毀傷效應(yīng)研究時(shí),分析了艙室結(jié)構(gòu)破壞的先后順序，研究說(shuō)明破口的擴(kuò)張與延伸對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞作用。吳彥捷通過(guò)數(shù)值模擬研究了單層柱殼結(jié)構(gòu)開(kāi)洞對(duì)泄爆的影響，考慮泄爆效果與結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的情況下提出泄爆口位置、數(shù)量相關(guān)的泄爆措施。孫坤林等對(duì)有無(wú)填充墻的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸做了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)沖擊波超壓的對(duì)比分析了填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸荷載的加強(qiáng)效果。從上述研究成果可以看出，開(kāi)口對(duì)房間內(nèi)爆炸荷載分布影響的研究不夠充分，只是針對(duì)具體工程，不具有普適性。針對(duì)此問(wèn)題，開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸的血爆炸影響還需進(jìn)一步研究。

以TNT炸藥在普通住房?jī)?nèi)爆炸為研究背景，對(duì)房間內(nèi)不同大小、形狀、位置的開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸荷載的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。出于對(duì)內(nèi)爆炸荷載分布規(guī)律的考慮，本文選取典型參考點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)比得出開(kāi)口這一因素對(duì)內(nèi)爆炸荷載的影響。

1有限元模型

1.1炸藥、房間尺寸選取

為了做有效的對(duì)比，本文房間尺寸選取3.6 m×3.6 m×3.6 m，3.6 m×3.6 m×5.4 m，3.6 m×3.6 m×7.2 m，3.6 m×3.6 m×10.8 m，3.6 m×5.4 m×7.2 m；開(kāi)口尺寸定位50 cm×50 cm，100 cm×100 cm，150 cm×150 cm，200 cm×200 cm，250 cm×250 cm，300 cm×300 cm，360 cm×360 cm(研究開(kāi)口大小的影響)。為了研究開(kāi)口形狀和位置對(duì)內(nèi)爆炸的影響，對(duì)面積為2 250 cm2的開(kāi)口進(jìn)行長(zhǎng)寬比和所處位置的改變。根據(jù)人所能攜帶的炸藥量，本文選取24 cm×24 cm×24 cm的立方體TNT炸藥，炸藥位于房間中心。

1.2材料模型

本文模擬過(guò)程不考慮結(jié)構(gòu)形變或破壞，故可將墻體當(dāng)作剛體。模型中墻體定義為反射邊界，開(kāi)口定義為無(wú)反射邊界?？諝獠捎肕at-Null材料模型和Linear-Polynomial狀態(tài)方程：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E。

炸藥為TNT烈性炸藥，炸藥采用High-Explosive-Burn材料模型(密度為1 293 kg/m3，初始速度為6.93 km/s，CJ壓力為0.27)和JWL狀態(tài)方程：

其中，A，B，R1，R2，ω均為參數(shù)，A=3.74，B=0.032 3，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3；E0，V0分別為初始內(nèi)能和初始相對(duì)體積，E0=0.07，V0=1。

2不同大小開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸荷載的影響

以邊長(zhǎng)為3.6 m的正方體房間內(nèi)爆炸為研究對(duì)象，開(kāi)口位置設(shè)在面中心，為減少計(jì)算量，考慮對(duì)稱性取1/4模型進(jìn)行計(jì)算。分別對(duì)A點(diǎn)～F點(diǎn)(如圖1所示)超壓荷載隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行跟蹤分析，得到同一位置不同開(kāi)口處的P—T曲線(如圖2所示)。

圖1中A點(diǎn)～C點(diǎn)為接近開(kāi)口處點(diǎn)的超壓曲線，從圖中可以看出，開(kāi)口對(duì)于附近的點(diǎn)影響較大，開(kāi)口越大超壓峰值就越小，開(kāi)口的大小影響第一個(gè)峰值的大小，不會(huì)影響超壓到達(dá)時(shí)間，對(duì)后續(xù)峰值的到達(dá)時(shí)間和峰值都會(huì)有影響，這是由于開(kāi)口的泄壓作用使房間內(nèi)壓力降低，速度也隨之減小。A點(diǎn)位于房間墻面中心，第一個(gè)超壓峰值與開(kāi)口無(wú)關(guān)，但隨后的峰值相差較大，由于A點(diǎn)位于開(kāi)口處，沒(méi)有反射超壓，隨后的超壓是房間內(nèi)超壓不斷反射引起的，由于房間內(nèi)反射的無(wú)規(guī)律性導(dǎo)致A點(diǎn)后續(xù)壓力的雜亂性，但開(kāi)口對(duì)于A點(diǎn)的后續(xù)波到達(dá)時(shí)間具有決定性；B，C兩點(diǎn)分別為房間梁柱的中點(diǎn)和角點(diǎn)，對(duì)比B，C點(diǎn)360 cm開(kāi)口的超壓荷載與其他尺寸開(kāi)口的超壓荷載可以看出：房間整個(gè)面的缺失使這個(gè)面峰值壓力減小很大，約為小開(kāi)口的1/4～1/3，與300 cm的大開(kāi)口相比也相當(dāng)于其1/3，后續(xù)波也趨近于0，可見(jiàn)整個(gè)面開(kāi)洞的泄爆作用最好，此結(jié)論與孫坤林等對(duì)填充墻的影響研究結(jié)論相似；為驗(yàn)證開(kāi)口尺寸對(duì)C點(diǎn)的精確影響，對(duì)開(kāi)口邊長(zhǎng)為60 cm，80 cm，90 cm的模型進(jìn)行模擬分析，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：C點(diǎn)60 cm～300 cm開(kāi)口的首個(gè)峰值壓力基本相同?？赏茢喑觯寒?dāng)開(kāi)口面積大于墻面面積的1/6時(shí)房間角點(diǎn)處最大超壓峰值基本相同。

對(duì)比D，E，F(xiàn)三點(diǎn)的超壓荷載發(fā)現(xiàn)：開(kāi)口對(duì)遠(yuǎn)離開(kāi)口面上的超壓值影響不大，D，E，F(xiàn)點(diǎn)前兩個(gè)峰值超壓相同，開(kāi)口影響的是第三個(gè)峰值以及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的大小。開(kāi)口越大，第三個(gè)峰值超壓到達(dá)的時(shí)間越遲，峰值壓力也越小。

通過(guò)對(duì)比不同大小開(kāi)口的房間內(nèi)爆炸超壓荷載可以看出，開(kāi)口尺寸對(duì)靠近開(kāi)口處影響較大，直接影響峰值壓力的大小。隨著開(kāi)口的增大，峰值減小的幅度降低，但當(dāng)整個(gè)面開(kāi)通后，峰值壓力驟降，越靠近角點(diǎn)處，驟降的幅度越大，原因是角點(diǎn)處大超壓是多個(gè)面反射超壓匯聚引起的，整個(gè)面的缺失導(dǎo)致超壓匯聚效果下降。遠(yuǎn)離開(kāi)口面的各點(diǎn)受開(kāi)口影響較小，后續(xù)波形的差異主要是不同開(kāi)口的泄爆使房間內(nèi)總能量降低程度不同，導(dǎo)致第三個(gè)峰值和準(zhǔn)靜態(tài)壓力的差異。

3不同位置開(kāi)口對(duì)內(nèi)爆炸荷載的影響分析

內(nèi)爆炸超壓分布的極度不均勻?qū)е虏煌恢瞄_(kāi)口的泄爆作用也不同。為研究開(kāi)口位置對(duì)內(nèi)爆炸荷載的影響，對(duì)房間不同位置開(kāi)口(開(kāi)口尺寸選取150 cm×150 cm)，開(kāi)口中心位置見(jiàn)圖3,對(duì)圖3所示的角點(diǎn)處超壓荷載進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4)。

圖中可以看出，A點(diǎn)受開(kāi)口位置的影響最大，C，D點(diǎn)受開(kāi)口位置的影響較小。通過(guò)A，B兩點(diǎn)的曲線可以看出：由于角點(diǎn)處匯聚超壓的泄露，在一定距離內(nèi)角點(diǎn)的超壓峰值隨開(kāi)口距離的減小而減?。粚?duì)于對(duì)稱的房間內(nèi)，開(kāi)口一側(cè)沖擊波能量的泄露不會(huì)造成另一側(cè)超壓峰值的減小，但對(duì)超壓的衰減速度和后續(xù)的超壓波動(dòng)影響，開(kāi)口離角點(diǎn)越遠(yuǎn)，第二個(gè)超壓峰值就越大。由于位置1，2使區(qū)域3，4含有開(kāi)口，故C，D點(diǎn)曲線中位置1，2的峰值較其他位置的峰值小。

當(dāng)開(kāi)口不在墻面中心時(shí)，E，G兩點(diǎn)的峰值超壓較墻面中心開(kāi)口時(shí)小，其中E點(diǎn)減小了45%以上，G點(diǎn)也減小30%以上，但其他四個(gè)位置上的開(kāi)口，E，G兩點(diǎn)超壓峰值相差并不大。F，H點(diǎn)在位置2開(kāi)口時(shí)的超壓峰值較其他位置開(kāi)口小了約40%，其他角點(diǎn)大致相同。從中可以看出：當(dāng)開(kāi)口位于位置1和位置2時(shí)，開(kāi)口相對(duì)面上角點(diǎn)的后續(xù)波動(dòng)較其他位置小；當(dāng)開(kāi)口位于位置2時(shí)，開(kāi)口相對(duì)面上峰值超壓較位置1時(shí)小。因此可以得出結(jié)論：開(kāi)口位置設(shè)在位置2時(shí)對(duì)開(kāi)口相對(duì)面上的超壓有減小作用。

通過(guò)對(duì)不同位置開(kāi)口的房間內(nèi)荷載分布的分析可以得到：

1)對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，只要對(duì)稱面一側(cè)的區(qū)域無(wú)開(kāi)口，此區(qū)域處超壓峰值就不受開(kāi)口的影響；存在開(kāi)口的區(qū)域，角點(diǎn)峰值超壓隨開(kāi)口距離的減小而減小。

2)開(kāi)口位置不在面中心點(diǎn)時(shí)，與開(kāi)口相對(duì)面上角點(diǎn)超壓峰值明顯減小，減小的幅度與開(kāi)口的具體位置關(guān)系不大。

3)當(dāng)開(kāi)口位置在偏于墻面中心卻不與邊接觸時(shí)，離開(kāi)口較遠(yuǎn)處角點(diǎn)超壓峰值明顯減小。不同位置開(kāi)口下超壓—時(shí)間曲線如圖5所示。

4結(jié)語(yǔ)

從開(kāi)口大小、形狀、位置3個(gè)方面對(duì)開(kāi)口的影響作用進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。經(jīng)過(guò)分析可以得到：

1)當(dāng)開(kāi)口面積大于墻面面積的1/6時(shí)，開(kāi)口附近角點(diǎn)處最大峰值超壓基本相同，受開(kāi)口面積的影響很小，但整面墻的缺失對(duì)缺口附近超壓的降低程度最大。

2)對(duì)于形狀對(duì)稱的房間，對(duì)稱面一側(cè)的開(kāi)口對(duì)另一側(cè)區(qū)域的超壓峰值無(wú)影響。長(zhǎng)寬相同的面上，離開(kāi)口的距離越近，角點(diǎn)處的超壓峰值越小。

3)形狀的改變只對(duì)開(kāi)口附近的點(diǎn)荷載影響較大，其他位置無(wú)變化。

參考文獻(xiàn):

[1]鄔玉斌.地下結(jié)構(gòu)偶然性內(nèi)爆炸效應(yīng)研究.哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所工學(xué)博士學(xué)位論文，2011.

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[3]Edri Z S, Feldgun V R,Karinski Y S,et al.On blast pressure analysis due to a partially confined explosion: Ⅰ. experimental studies. International Journal of Protective Structure,2011,

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0020-03

收稿日期：2016-03-03

作者簡(jiǎn)介：阿帥磊(1990- )，男，在讀碩士

中圖分類號(hào)：TU312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A