吳小燕，孔新立，孟凡茂，秦藝菲，王　鵬

(解放軍理工大學，南京 210007)

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防護門的爆炸反彈效應研究進展*

吳小燕，孔新立，孟凡茂，秦藝菲，王鵬

(解放軍理工大學，南京 210007)

摘要:防護門反彈效應研究是防護門設計過程中的一個重點研究內(nèi)容。在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，防護門會受到爆炸沖擊波負壓的影響，發(fā)生反彈效應，產(chǎn)生的反彈力會對防護門的閉鎖和鉸頁等裝置造成破壞。通過分析國內(nèi)外關于爆炸沖擊波荷載下反彈效應的研究成果，系統(tǒng)總結(jié)了防護門在反彈效應下的理論研究進展，分析了比例爆距、結(jié)構(gòu)特點、阻尼效應等因素對防護門產(chǎn)生反彈效應的影響。最后在防護門反彈效應的研究的基礎上，對防護門抗反彈設計提出了合理的建議。

關鍵詞:防護門；反彈效應；影響因素；常規(guī)武器

防護工程是一個國家安全防御系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它能夠抵抗預定殺傷性武器的破壞[1-3]。防護門是阻擋常規(guī)武器或核武器爆炸沖擊波的設備，是加強工程防護的第一道防線。隨著科學技術的發(fā)展，精確制導武器的使用比例越來越高、打擊精度越來越高，使當前的防護工程受到很大的威脅。與核武器爆炸荷載相比，常規(guī)武器爆炸荷載作用時間較短，爆炸早期沖擊波高頻豐富、加載迅速、波長較短，防護門在常規(guī)武器爆炸荷載作用下將發(fā)生反彈效應，門體在反向荷載作用下，只有閉鎖和鉸頁這幾個點承載，反彈力較大時，將對閉鎖裝置和鉸頁產(chǎn)生極大的破壞，導致防護門整體失效。

從上世紀60年代開始，國內(nèi)外對反彈效應都做出了相應的研究，并制定了相關的規(guī)范。美國陸軍工程兵水道實驗站出版的《TM5-855-1常規(guī)武器防護設計手冊》[4]中指出防護門等效反彈壓力取0.5倍的入射波峰值壓力；陸海空三軍司令部聯(lián)合出版的《TM5-1300抗偶然性爆炸效應的結(jié)構(gòu)設計》[5]中指出常規(guī)武器爆炸荷載作用下要考慮防護門的反彈效應；美國空軍司令部和空軍武器實驗室聯(lián)合發(fā)布的《防護結(jié)構(gòu)設計與分析手冊》[6]中給出了單自由度體系在固定支座無阻尼情況下的反彈抗力曲線。我國現(xiàn)行的一些規(guī)范也對這方面做了一些研究，《GB50038—2005人民防空地下室設計規(guī)范》[7]指出在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，反向荷載的等效取值。

1理論研究

在現(xiàn)行防護設備設計過程中，主要還只是考慮了核武器的爆炸效應，只有當防護結(jié)構(gòu)防護等級較高時，才考慮常規(guī)武器破壞效應對防護結(jié)構(gòu)的影響。核武器爆炸荷載作用時間較長，爆炸過程中產(chǎn)生的負壓峰值相對于正壓峰值較小。而常規(guī)武器爆炸作用時間較短，其負壓峰值有時幾乎與正壓峰值相等。

典型爆炸荷載時程曲線如圖1。在傳統(tǒng)防護門設計研究過程中，一般采用核武器的爆炸沖擊波荷載，取均布法向作用的無升壓過程的平臺型荷載，如圖2(a)。而常規(guī)武器所產(chǎn)生的沖擊波則按照等沖量法簡化成為突加線性衰減的荷載來考慮，如圖2(b)。

國外學者通過早期一些實驗數(shù)據(jù)，初步研究和發(fā)展了爆炸荷載理論。Florek 和 Benaroya通過對剛性塑體上作用均布載荷的理論研究，認為不同的爆炸荷載形式將對作用結(jié)構(gòu)自生的靈敏度產(chǎn)生影響[8]，認為必須盡量減少或消除其對結(jié)構(gòu)的不利影響。Beshara提出了結(jié)構(gòu)的反彈效應及動力響應與裝藥量TNT、比例爆距z、荷載大小、沖擊波作用時間及荷載形狀都有影響[9]。在此之后，國外學者對爆炸荷載作用下反射效應做了大量研究，但動荷載的靈敏變化荷載曲線尚未得到精確結(jié)果。

在國內(nèi)，方秦[10、11]、金豐年對反彈效應進行了深入研究[12]，文獻[10、11]認為在核爆作用下設計防護門時，必須考慮在常規(guī)武器作用下防護門所產(chǎn)生的較大的反彈力的影響效應。文獻[12]認為設計過程中，結(jié)構(gòu)阻尼的影響也必須考慮進入反彈效應分析中。我國《人民防空地下室設計規(guī)范》[7]規(guī)定對于室外出入口內(nèi)封堵構(gòu)件、支座及其聯(lián)結(jié)件，需驗算在常規(guī)武器爆炸沖擊波作用下負向動剪力的作用。對于室外方秦、柳錦春在《地下防護結(jié)構(gòu)》[13]中給出了空氣沖擊波作用下正壓峰值與負壓峰值的關系公式[13]，如式(1)。

(1)

式中：ΔPr為反射沖擊波超壓;ΔPi為入射沖擊波超壓，單位均為MPa。

由上式可知當正壓峰值很高時，反射波可以達到入射波的8倍以上，實際上，在高溫高壓情況下，反射超壓將將遠遠大于8倍的入射超壓。

郭東、劉晶波等進一步研究了防護門反彈效應的影響因素[14、15]，認為防護門的邊長比、荷載作用時間、荷載形式、阻尼比以及沖擊波負壓等都對防護門的反彈效應產(chǎn)生影響，且表明：當防護門的邊長比增大時，防護門正、負向動剪力峰值都逐漸減?。粵_擊波負壓和阻尼對防護門的正向動力響應影響可以忽略，對最大負向動剪力影響較大；指數(shù)型荷載形式對防護門正、負向動剪力峰值影響不大，可以忽略。杜家政、劉宜平等通過對爆炸荷載作用下防護門反彈效應的數(shù)值模擬，認為混凝土防護門比鋼結(jié)構(gòu)防護門反彈影響大[16]。

2防護門反彈效應的影響因素分析

作用在防護門上的反射沖擊波荷載可以理解為作用在結(jié)構(gòu)上的反向動剪力。通過國內(nèi)外學者的研究與試驗，我們可以發(fā)現(xiàn)主要影響防護門在爆炸荷載作用下反彈效應的因素主要有比例爆距、結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)形式、荷載作用形式、荷載作用時間、阻尼等。

2.1比例爆距的影響

TM5-1300中給出了無阻尼單自由度體系的彈性反彈圖表[5]，如圖3。由圖可知，當反彈抗力r與屈服抗力Rm的比值等于-1時，將發(fā)生完全反彈。但是所有的設計規(guī)范及公式都有其自身的使用范圍，在進行設計研究時，必須盡量考慮到反彈的各種影響因素。

2.2結(jié)構(gòu)自身的影響

當前，防護門的主要形式包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。由于混凝土結(jié)構(gòu)防護門由于自身重力較大且相對抗力較低，設計者們更加傾向鋼結(jié)構(gòu)門體設計。鋼結(jié)構(gòu)防護門，主要以梁板式鋼結(jié)構(gòu)為主而門扇骨架和門框主要以工字鋼和槽鋼組成。在對于防護門結(jié)構(gòu)自身對反彈效應的影響因素分析過程中，影響鋼結(jié)構(gòu)防護門抗力的主要有骨架的排列方式、骨架的數(shù)量、骨架的截面尺寸以及面板的厚度等因素，而影響其反彈的主要為結(jié)構(gòu)的邊長比，即防護門門扇長邊與短邊的比值。當邊長比增大時，短邊的反彈力峰值將減少。

2.3荷載的影響

荷載對于反彈效應的影響，主要有兩個方面，一個是荷載的作用持續(xù)時間，另一個是荷載的作用形式。作用在防護門等防護設備上的荷載主要包括作用時間較長的核武器爆炸沖擊波荷載，以及荷載作用時間較短的常規(guī)武器爆炸沖擊波荷載。在有限元分析計算過程中，通過改變荷載的作用持續(xù)時間，得出在荷載作用時間長度越短時，跨中位移越大，如圖5所示?？梢姵Ｒ?guī)武器爆炸荷載作用下，由于其高頻豐富，爆炸波的波長短，使得材料的應力變化快，防護門的抗力下降。

對于荷載形式對防護門反彈效應的影響，防護門上受到的爆炸沖擊波荷載形式常用的有五種，包括有升壓時間的三角形荷載、無升壓時間的三角形荷載、矩形荷載、折線型荷載和指數(shù)型荷載。郭東基于等效單自由度體系的梁板結(jié)構(gòu)，采用無量綱分析得出[20]，在無升壓時間的三角形荷載、矩形荷載、折線型荷載和指數(shù)型荷載作用下，當荷載持續(xù)時間與結(jié)構(gòu)自振周期T的比值越小，反彈越大，當比值無限趨向無窮大時，結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生50%的反彈，當比值趨向零時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生100%反彈。

2.4阻尼的影響

在防護門設計過程中，由于對于防護門自身材料的阻尼值不太了解，且阻尼對于爆炸荷載作用產(chǎn)生的第一個壓力峰值影響較小，往往沒有考慮到阻尼的影響。在沖擊波荷載下，結(jié)構(gòu)在很短時間內(nèi)就達到了最大反應，在這之前，阻尼力來不及從結(jié)構(gòu)當中吸收太多的能量，這也是設計防護門過程中設計人員沒有考慮的另一個原因。

雖然設計者們基本認為忽略阻尼是一種偏于安全的做法，但這無法達到設計的最優(yōu)。在防護門受到爆炸沖擊波荷載下，會有兩種阻尼對其產(chǎn)生影響，分別為外部環(huán)境對梁骨架產(chǎn)生的外阻尼，以及防護門的內(nèi)部阻尼。通過對其無量綱分析得出，阻尼對于爆炸荷載作用下防護門上的正向動剪力影響不大，對反彈力影響較大。在常規(guī)武器爆炸荷載作用下，當阻尼比ξ=0.01時，負向動剪力減值60%，當ξ=0.05時，變?yōu)榧s30%?？梢娮枘釋τ诜雷o門在常規(guī)武器爆炸作用下衰減較大，且阻尼比越大，反彈力峰值將越小。在核武器爆炸荷載下，由于荷載作用時間短，防護門大多處于彈性階段，即使進入塑性階段，防護門的變形也無法達到門體的極限變形，這是由于構(gòu)件本身的阻尼使得防護門有一定的殘余變形，無法充分利用材料本身的潛力。考慮結(jié)構(gòu)材料的阻尼，可以優(yōu)化防護門的結(jié)構(gòu)設計。

3結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，精確制導武器對防護設備的影響愈加明顯，對防護結(jié)構(gòu)的破壞愈加嚴重，隨之對防護門的要求也越來越高。防護門的優(yōu)化設計和制造，將是軍隊國防建設未來的方向。近年來無論是通過改變防護門的結(jié)構(gòu)設計還是采用新型材料，在防護門反彈效應研究成果較少[21-26]，這將是防護門未來研究的一個方向。在此基礎上，作者提出幾點意見：

(1)當前防護門的反彈效應研究，許多研究工作還處于初期階段，我國滯后于國外很多年，國內(nèi)理論分析產(chǎn)生的經(jīng)驗公式也大多參考和借鑒了國外的許多相關方面的研究方法及經(jīng)驗，因此必須加強防護門在力學方面的理論研究。

(2)目前大多數(shù)研究成果都是在有限元數(shù)值模擬上產(chǎn)生的結(jié)果，但是ANSYS等有限元分析軟件還不成熟，設計過程中大量參數(shù)需要準確把握，稍有誤差，結(jié)構(gòu)可能千差萬別。為了更為準確的理論分析成果和相對解決方法，必須將爆炸試驗跟數(shù)值模擬比較分析。

(3)在防護門設計過程中，可以通過阻尼選擇更優(yōu)的材料，消除沖擊波對防護門的影響；通過增大防護門邊長比，減小沖擊波的峰值，減小反彈力的影響，荷載形式對于沖擊波峰值影響不大，設計時可不用考慮。在設計過程中必須加強對鉸頁、閉鎖等裝置的優(yōu)化設計。

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Research Progress of Rebound Effect on Protective Doors under Blast Loading

WUXiao-yan,KONGXin-li,MENGFan-mao,QINYi-fei,WANGPeng

(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

Abstract:The protective door was usually influenced by negative phase pressures of blast wave under the conventional weapon explosion loads,and the rebound force could destroy the latch,hinge,and so on.Study on rebound effect was a key research direction in the design of the protective door.According to the research progress in rebound effect at home and abroad,the theoretical research achievements were summarized and a comprehensive analysis was discussed on the influencing factors of protective door,such as the scaled distance,the structure characteristics and the effect of damping.Based on the researches on rebound effect,some suggestions were put forward on the rebound design of the protective door.

Key words:protective doors；rebound effect；influencing factor；conventional weapons

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.027

收稿日期:2016-04-04

作者簡介:吳小燕(1990-)，女，江蘇常州，碩士研究生，主要從事巖土工程研究，(E-mail)lgdxwuxiaoyan@163.com。 通訊作者:孔新立(1979-)，男，山東菏澤，博士、講師，主要從事防災減災工程及防護工程研究，(E-mail)xlk80@126.com。

基金項目:國家自然科學青年基金(No.51308544)

中圖分類號:TU391；TU352.1+3；TJ91

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0137-05