王洪輝，陳海龍

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院， 南京 210007)

建筑物和構(gòu)筑物的防爆抗爆性能事關(guān)人員和財產(chǎn)安全，如何有效提高建筑的抗爆性能一直是爆炸沖擊領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題。近年來，現(xiàn)代高技術(shù)常規(guī)武器和局部恐怖襲擊對防護(hù)工程帶來的沖擊是十分廣泛的，不僅對民用設(shè)施的工程防護(hù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，更對軍用設(shè)施的防護(hù)能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。針對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅僅通過增大混凝土或鋼筋用量對抗爆性能的提高是有限的、不經(jīng)濟(jì)的，一方面是因為建筑結(jié)構(gòu)的自重不能無限增大，另一方面增大建筑材料用量意味著建材成本的增加和工期的延長，這將直接導(dǎo)致昂貴的工程造價。因此，尋求新型材料用于建筑的防護(hù)加固就顯得尤為重要。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)是由纖維材料與基體材料按一定比例混合并經(jīng)過一定工藝復(fù)合形成的高性能新型材料，以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特點已廣泛應(yīng)用于建筑物的修復(fù)加固與工程防護(hù)中[2]。FRP材料的比強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度/比重)非常高，常用碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)的比強(qiáng)度為鋼材的40倍，從而可以大幅降低結(jié)構(gòu)的自重；相比于鋼材，F(xiàn)RP還具有優(yōu)越的耐腐蝕性，可以在氯鹽和潮濕環(huán)境中長期使用，同時FRP材料可設(shè)計性強(qiáng)，可以根據(jù)工程需要靈活改變結(jié)構(gòu)形式?；谝陨蟽?yōu)點，在工程防護(hù)領(lǐng)域充分發(fā)揮FRP材料的優(yōu)異性能是近幾十年來國內(nèi)外研究的焦點。

在充分肯定FRP加固對混凝土結(jié)構(gòu)抗爆作用的基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)合材料制造工藝，設(shè)計并制備了一種CFRP管混凝土拱結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了野外爆炸試驗，以探求結(jié)構(gòu)抗爆性能的優(yōu)劣。

1 FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)抗爆研究進(jìn)展

在建筑物的抗爆加固中，F(xiàn)RP的應(yīng)用形式主要有兩種，一種是作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料，粘貼或錨固在梁板柱拱等基本構(gòu)件的受拉面，從而充分發(fā)揮FRP材料優(yōu)越的抗拉性能；另一種是直接作為結(jié)構(gòu)材料，與混凝土共同協(xié)作承擔(dān)荷載，主要是各類FRP管混凝土結(jié)構(gòu)。

1.1 FRP作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的抗爆研究

陳萬祥等[3]對爆炸荷載作用下CFRP加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了一系列試驗研究，主要考察CFRP粘貼層數(shù)對裂縫開展、破壞形式、應(yīng)變和撓度的影響。試驗表明：在彈性工作階段內(nèi)，CFRP粘貼層數(shù)對試驗梁抗爆能力的影響不大，當(dāng)進(jìn)入塑性階段后，抗爆能力隨著粘貼層數(shù)增大而提高，但提高幅度是有上限的；對比未加固梁可以發(fā)現(xiàn)，CFRP加固梁的塑性變形明顯減小，試驗梁的剛度得到有效提高。

郭樟根等[4]對外貼FRP條帶加固鋼筋混凝土雙向板進(jìn)行了爆炸試驗，并與與普通混凝土板進(jìn)行對比。從破壞形態(tài)來看，外貼FRP條帶加固方法能有效限制裂縫開展、延緩混凝土開裂；從動力響應(yīng)來看，加固后的鋼筋混凝土(Reinforced Concrete，RC)雙向板的跨中位移響應(yīng)、混凝土和鋼筋應(yīng)變響應(yīng)明顯降低，雙向板抵抗爆炸沖擊波的能力明顯提高。

Jin-Won Nam等[5]運(yùn)用動力有限元分析軟件LS-DYNA對GFRP加固混凝土板進(jìn)行了數(shù)值分析。材料模型選擇上，GFRP采用Hashin和Chang-Chang的漸進(jìn)損傷模型并考慮了FRP材料的應(yīng)變率效應(yīng)，混凝土和FRP交界面采用接觸單元建模，通過與試驗對比證實了數(shù)值模型的有效性。在此同時指出：為建立更精確的RC結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的數(shù)值模型，需要根據(jù)FRP的類型和層數(shù)對應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行試驗研究，此外還需要進(jìn)一步研究FRP與混凝土之間的動態(tài)界面行為。

潘金龍等[6-7]運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對FRP加固混凝土板和圓柱進(jìn)行了數(shù)值仿真，模擬了不同F(xiàn)RP粘貼層數(shù)、粘貼密度和粘貼方式等對混凝土結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響，但在FRP和混凝土界面的處理上簡單采用了共用節(jié)點，這未必符合實際情況。

拱結(jié)構(gòu)作為橋梁工程和地下防護(hù)工程中常用的結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)有設(shè)計水平下如何提高其抵抗爆炸荷載的能力也是一項極具意義的研究工作。陳海龍等[8]通過設(shè)計模型試驗研究了CFRP板加固地下拱結(jié)構(gòu)的抗爆性能，試驗中對已經(jīng)發(fā)生破壞的拱形結(jié)構(gòu)制定了具體的CFRP板條加固方案，測定并記錄了各次爆炸后結(jié)構(gòu)的壓力、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)和破壞現(xiàn)象，直觀反應(yīng)了CFRP板條的加固效果(圖1)。CFRP板條對拱頂?shù)乃苄宰冃文芰τ辛嗣黠@改善，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的延性，使得已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形的地下拱具有進(jìn)一步承載的能力。

1.2 FRP作為結(jié)構(gòu)材料的抗爆研究

FRP管混凝土結(jié)構(gòu)(Concrete-filled FRP Tube，CFFT)是指通過拉擠、纏繞、手糊等工藝預(yù)先制作FRP管，然后向管內(nèi)澆筑混凝土形成的一種FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的特點是：由于FRP管的約束作用，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，橫向變形受到限制，強(qiáng)度和延性都得到提高；由于核心混凝土的存在，F(xiàn)RP管的屈曲受到限制，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)；由于FRP的耐腐蝕性和對核心混凝土的永久保護(hù)作用，可以有效防止外界環(huán)境對結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞，結(jié)構(gòu)的耐久性得到增強(qiáng)?；贑FFT在強(qiáng)度和耐久性上的優(yōu)越性，世界各國學(xué)者對該結(jié)構(gòu)的基本靜力性能(包括壓、彎、剪、抗振及其組合)和耐久性進(jìn)行了深入的研究[2]，但在抗爆性能方面研究有限。

Echevarria等[9]對CFFT柱進(jìn)行了爆炸試驗研究，試驗構(gòu)件為GFRP管-鋼筋混凝土柱，在柱子上下端面施加軸向力以模擬柱的真實受力狀態(tài)。在遭受兩次爆炸沖擊后，試件并沒有表現(xiàn)出任何破壞跡象，表面僅出現(xiàn)爆轟產(chǎn)物附著存留的碳黑。試驗表明：由于GFRP管對核心混凝土的恒定約束，混凝土的延性變形能力得到加強(qiáng)，CFFT柱表現(xiàn)出優(yōu)良的抗爆性能。Echevarria等還對遭受爆炸后的CFFT柱和普通柱進(jìn)行了剩余承載力試驗，同普通柱相比，CFFT柱表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和韌性，同時CFFT柱的軸壓破壞模式更容易判斷。

Qasrawi等[10]對CFFT梁進(jìn)行了爆炸試驗和數(shù)值模擬研究。試驗表明：在100 kg C4炸藥作用后，外層FRP管未發(fā)生破壞，CFFT梁的殘余變形比普通梁減少29%，F(xiàn)RP管的出現(xiàn)明顯提高了梁的抗爆性能。在同試驗數(shù)據(jù)對比驗證數(shù)值模型可靠性的基礎(chǔ)上，Qasrawi等運(yùn)用有限元軟件ANSYS Autodyn對CFFT梁在爆炸荷載作用的響應(yīng)進(jìn)行了參數(shù)分析，指出在同一比例爆距下增大管的直徑可以減小梁的整體響應(yīng)。

1.3 FRP管拱結(jié)構(gòu)研究

基于前人在CFFT直管混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究，美國緬因大學(xué)的Dagher等[11]率先提出并制備了FRP管混凝土拱形結(jié)構(gòu)，其設(shè)計思路是利用玻璃纖維或碳纖維等常用增強(qiáng)材料預(yù)先制作拱形空心FRP管，然后以FRP管作為永久性模板在施工現(xiàn)場向管中灌注混凝土進(jìn)而形成FRP管-混凝土組合結(jié)構(gòu)，但并未給出FRP彎管的具體制備方法。Dagher教授進(jìn)一步對該FRP管拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗彎承載力試驗和疲勞實驗研究，并成功地將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁工程建設(shè)中，如圖2所示。

2 CFRP管混凝土拱的設(shè)計制備

為研究FRP管混凝土拱結(jié)構(gòu)的抗爆性能，本文自主設(shè)計并制備出一種CFRP管混凝土拱結(jié)構(gòu)，幾何尺寸如圖3所示。為實現(xiàn)CFRP管拱結(jié)構(gòu)的固定，在兩端設(shè)置300 mm×300 mm×300 mm的混凝土墩座，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

制備CFRP管混凝土拱所需的主要結(jié)構(gòu)材料有：碳纖維編織套管、碳纖維浸漬膠、普通混凝土等。

碳纖維編織套管是由宜興市宜泰碳纖維織造有限公司生產(chǎn)提供，該套管是利用東麗公司生產(chǎn)的T700SC-12K碳纖維絲結(jié)合45°編織工藝織造而成。表1為碳纖維絲的基本力學(xué)參數(shù)。

表1 碳纖維絲力學(xué)參數(shù)

碳纖維浸漬膠采用南京市曼卡特科技有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧浸漬膠，表2為該浸漬膠的主要物理力學(xué)參數(shù)。

表2 浸漬膠主要物理力學(xué)參數(shù)

普通混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，具體配合比為自來水∶水泥∶中砂∶石子=0.41∶1∶1.89∶2.78，28 d齡期混凝土立方體試塊的平均抗壓強(qiáng)度為48.8 MPa，達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

CFRP管拱的制備流程可分為3個階段，如圖5所示。

CFRP管是CFRP管拱的重要承力構(gòu)件，其制作質(zhì)量的高低直接影響整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此在制作過程中必須注意把握細(xì)節(jié)、嚴(yán)格控制質(zhì)量；核心混凝土的澆筑遵循“兩次澆筑，多次振搗”的原則，每澆筑一部分混凝土，必須馬上進(jìn)行振搗，促使混凝土和CFRP管緊密貼合，這樣才有利于管拱結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的發(fā)揮；澆筑混凝土墩座的主要目的是固定CFRP管拱，使管拱結(jié)構(gòu)保持直立狀態(tài)，有利于后期開展試驗研究。圖6～圖11表示了CFRP管拱制備過程中的關(guān)鍵步驟。

3 CFRP管混凝土拱的爆炸試驗

3.1 試驗概況

為了檢驗CFRP管混凝土拱結(jié)構(gòu)抗爆性能的優(yōu)劣，對其進(jìn)行了野外爆炸試驗。試件構(gòu)件命名為C40-3，其中C40代表混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，3代表碳纖維套管層數(shù)為3層。表3為爆炸試驗的兩種工況，TNT藥塊當(dāng)量均為2.0 kg，幾何尺寸120 mm×100 mm×100 mm，CFRP管拱連續(xù)遭受兩次爆炸沖擊。

表3 試驗工況

試驗在江蘇省盱眙縣九二五廠的野外爆炸試驗場中進(jìn)行。試驗時，CFRP管拱被兩端固定在鋼底座內(nèi)，以防止CFRP管拱發(fā)生偏轉(zhuǎn)或側(cè)移。通過鐵絲將TNT藥塊懸掛于管拱拱頂中心的正上方，藥塊中心距拱頂中心的距離即為爆距。試驗主要測量項目有拱頂?shù)姆瓷涑瑝骸⒐绊敽蛢蓚?cè)拱腰的動態(tài)位移。考慮第2次爆炸工況中比例爆距太小，產(chǎn)生的爆炸沖擊威力過強(qiáng)，為保護(hù)傳感器，此時僅測量拱腰的動態(tài)位移。試驗裝置圖如圖12。

3.2 破壞情況

化學(xué)爆炸持續(xù)時間非常短暫，通常以微秒計量，爆炸時的場景如圖13所示。圖14為管拱結(jié)構(gòu)在遭受第1次和第2次爆炸沖擊后的破壞情況。

第1次爆炸荷載作用后，CFRP管拱沒有發(fā)生明顯破壞，整體結(jié)構(gòu)保持完整，拱頂迎爆面出現(xiàn)的黑色痕跡系爆轟產(chǎn)物附著在CFRP管表面所致。

第2次爆炸荷載作用后，CFRP管拱仍保持完整，破壞主要集中在拱頂。爆心正下方拱頂處CFRP管出現(xiàn)開裂跡象，沿裂紋掰開可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部混凝土出現(xiàn)一定程度的破碎。分析原因，一方面是由于爆炸沖擊波的直接作用，對CFRP管拱造成了一定程度的損傷；另一方面是TNT藥塊中未充分爆炸燃燒的顆粒高速擊打CFRP管所致，系偶然因素。

3.3 試驗結(jié)果分析

圖15為第1次爆炸荷載作用時拱頂反射超壓時程曲線的試驗值與理論值。試驗采集到的壓力曲線在瞬間達(dá)到峰值后隨即呈指數(shù)型衰減，符合理想的空爆反射壓力時程曲線，正壓作用時間在1.2 ms左右，峰值壓力為15.6 MPa；反射超壓理論值由CONWEP軟件計算得出，峰值壓力為19.8 MPa。第2次爆炸工況中，CONWEP計算出的拱頂處理論超壓為60.1 MPa。

兩次爆炸荷載作用下拱腰處的位移時程曲線如圖16所示。兩條曲線的變化規(guī)律是相似的，即在爆炸沖擊波作用下，拱腰首先向下運(yùn)動，到達(dá)下移極限后隨即回彈，至上行極限后伴隨著多次振動，沖擊能量耗散完畢，結(jié)構(gòu)恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)。第1次爆炸荷載作用下，右側(cè)拱腰的最大向下位移值為5.6 mm，最大向上位移值為6.0 mm。在爆炸工況二中，管拱的位移響應(yīng)明顯增大，右側(cè)拱腰最大向下位移值達(dá)到 25 mm，最大向上位移值也為25 mm。觀察兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，殘余變形相對于位移幅度極其微小，故CFRP管拱結(jié)構(gòu)仍處于彈性變形范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系中，運(yùn)用FRP加固可以有效提高結(jié)構(gòu)抵抗爆炸沖擊的能力，增強(qiáng)建筑物的抗爆安全等級；CFRP管混凝土拱是一種新型組合結(jié)構(gòu)，充分利用FRP的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，消除了鋼筋的存在；爆炸試驗表明，當(dāng)比例爆距不大于0.603 m/kg1/3，CFRP管拱結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞，當(dāng)比例爆距減小為0.317 m/kg1/3時，拱頂區(qū)域出現(xiàn)局部損傷，但結(jié)構(gòu)仍保持完整，而且結(jié)構(gòu)變形在彈性范圍內(nèi)，展現(xiàn)出良好的抗爆性能。在未來地下防護(hù)工程或橋梁工程的推廣應(yīng)用中，應(yīng)對CFRP管拱的耐久性、施工工藝等方面加強(qiáng)研究，以期出臺相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。