1、结构构件抗爆性能研究现状摘 要：当今社会经常会发生许多爆炸事故，造成人员重大伤亡以及建筑物局部构件或整体严重破坏甚至坍塌。本文旨在总结国内外大量关于抗爆研究和抗爆设计文献的基础上，重点从结构抗爆设计和抗爆分析手段和方法研究等方向进行了说明，对了解和掌握建筑结构抗爆设计研究现状、进行建筑结构抗爆设计的深入研究具有指导意义。 关键词：结构抗爆设计 爆炸空气冲击波荷载 一、引言 随着人类文明的进步，虽然和平与发展是当今世界的两大主流，但由于种族主义、恐怖主义、强权政治和地区经济发展不平衡所造成的社会矛盾和恐慌无处不在，所以，人类仍然生存在战争和恐怖主义袭击的危险之中。2001 年 9 月 11 日，
2、美国纽约世贸中心双子大楼遭到恐怖袭击，在飞机撞击和航空汽油燃烧高温的双重作用下，结构发生了整体性的倒塌，导致 3000 多人死亡，经济损失不可估量，对人类造成的精神恐惧更是难以平息。 同时，相较于国外各类恐怖分子的爆炸事件，在国内的爆炸事件同样带给国家和人们巨大的伤害和损失。1986 年 2 月 22 日，一电雷管装配工房 4722 发电雷管发生爆炸，造成 2 人死亡，2 人重伤，事故扩大的主要原因是防爆墙距工作问仅 500 mm，距离太近导致冲击波回射，加剧了爆炸威力；1993 年 10 月 11 日，台湾新竹烟花爆竹厂发生爆炸，造成 3人死亡、2 人受伤，距爆炸点 12.2 m 的混凝土卵
3、石防爆墙拦腰折断，调查结果表明事故的主要原因之一是防爆墙抗爆能力远达不到要求； 2006年 6 月 16 日，安徽当涂县盾安化工集团有限公司粉状乳化车间粉乳前工序发生爆炸，厚厚的防爆墙全遭破坏。 爆炸一旦发生，不仅直接对爆源附近的人员和财产造成杀伤和毁坏，而且爆炸产生的爆炸冲击波以及爆炸飞片作用到周边建筑上，还可引起建筑结构的局部破坏以及整体倒塌，从而加剧灾害程度。因此，恐怖事件以及各类爆炸、碰撞事件的发生，世界各国学者都在对当前的结构设计理念进行反思，研究和分析怎样减轻炸弹爆炸对建筑物造成的损害，从而保护人类生命财产安全，建筑结构抵抗爆炸荷载作用的动力性能越来越受到重视。如何评价这些建筑物的
4、破坏效应、如何有效地减少结构构件和建筑物损坏程度、提高结构构件及其建筑的抗爆炸水平，进一步提出有效防止的结构抗爆措施等，都是国内外面临的急需解决的问题。 二、结构抗爆问题研究现状 近年来，国内外学者对地震作用应变率范围内钢筋混凝土构件的动态力学性能也进行了部分研究，如 Shimazaki 等采用三单元麦克斯韦模型对 ISP 剪力墙的试验结果进行了动态反应模拟计算；Fu 等回顾了加载速率对钢筋、混凝土及钢筋混凝土梁的影响，并给出了钢筋和混凝土考虑应变率效应的应力 - 应变关系； 肖诗云等加入了应变率的影响项，对钢筋混凝土柱的动态特性进行了数值分析； 张皓等分别对钢筋混凝土剪力墙准静态和高应变率动
5、力荷载作用下的响应进行了数值模拟，结果显示动力荷载作用下钢筋混凝土剪力墙的承载能力有一定程度的提高。 Krauthammer et al.（1994）开展了钢筋混凝土构件在脉冲荷理论研究了钢筋混凝土构件在脉冲荷载作用下的反应机理研究，基于Timoshinko 梁理论研究了钢筋混凝土板和梁在瞬时荷载作用下的反应，其中包括了应变率效应、荷载反向作用和结构转动机理的研究，得出了完整的钢筋混凝土构件变形曲线、弯矩和内力分布等数据，为以后的研究提供了有价值的参考价。 Low et al.（2002）对钢筋混凝土板的抗剪和抗弯性能与各种因素的关系进行了进一步的分析。研究结构表明在高强度短作用时间的爆炸荷载
6、作用下结构容易发生剪切破坏，在低强度长作用时间的爆炸荷载作用下容易发生弯曲破坏。 龚顺风等采用 AUTODYN 软件对自由空气中爆炸荷载进行了数值模拟，分析了空气网格尺寸和求解算法对爆炸荷载模拟结果的影响，并与经验预测和 TM5-1000 值进行了比较分析. 研究结果表明，空气单元网格尺寸对爆炸冲击波峰值超压有着显著的影响，对冲量也有一定的影响； Euler -FCT 算法较 Euler -G 算法提高了爆炸荷载的模拟精度，通过增加装药量，可以得到与实际值较吻合的模拟结果. 同时采用流固耦合数值模拟方法进行了近爆作用下钢筋混凝土板的动力响应分析，较合理地展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成
7、、部分钢筋屈服到板局部震塌破坏的动态演变过程。 重庆大学土木工程系的石少卿副教授等人，在不考虑钢板与所加固钢筋混凝土梁之间存在相对滑移的前提下，通过有限元分析，对外粘钢板前后梁的非线性性能进行了数值模拟研究，其中包括对梁的极限承载力、裂缝的对比。模拟结果表明粘钢加固能够有效地抑制裂缝在构件中的开展，而利用 ANSYS 软件可以很好地模拟粘钢前后梁的开裂等非线性现象30。 解放军理工大学工程兵工程学院的方秦等人建立了分层 Timoshenko 梁非线性动力有限元分析方法，对爆炸荷载作用下的钢筋混凝土梁的动力响应和破坏形态进行了分析，研究了化学爆炸和核爆炸荷载作用下钢板与钢筋混凝土组合梁动力响应问
8、题，探讨其动力响应特性以及钢板设置方式对钢筋混凝土梁动力响应的影响。 在对爆炸荷载作用下影响 RC 梁破坏形态的主要因素分析中，以Timoshenko 梁理论为基本框架，采取有限差分方法，进一步分析了荷载升压段的加载速率、截面高度、混凝土强度、纵向钢筋配筋率等主要因素对钢筋混凝土梁破坏形态的影响。结论表明随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。 石少卿副教授还运用 ANSYS 软件，对箱形钢板一钢筋混凝土组合结构这种新型防护结构和普通钢筋混凝土结构在相同爆炸荷载下的响应进行了数值模拟和对比分析，说明该结构在抗爆领域中具有很高的应
9、用价值。同时还提出在抗爆结构中除了要提高结构抵抗能力外，提高结构的吸能能力也是很重要的，如在箱形结构中加入吸能材料，如橡胶等，是很好的选择，也为今后的研究提供了一个方向。 三、结构抗爆研究展望 虽然对爆炸波作用下结构的动力响应国内外学者进行了大量分析研究，但是很多方面方面的研究仍显不够，应继续深入研究。 1.研究爆炸波冲击下各类结构的动力响应及损伤破坏机理，建立地面爆炸波作用下不同材料的本构模型，以及大型建（构）筑物动力响应的非线性有限元分析模型； 2.充分运用各种有限元分析软件对爆炸的发生和传播过程进行合理的数值模拟，合理确定出各种情形下爆炸波施加在墙体柱子、楼板等各种构件上的超压模型和建（
10、构）筑物表面上的爆炸荷载模型，以利于有效进行结构的抗爆响应分析。 参考文献 1方秦， 吴安平. 爆炸荷载作用下影响 RC 梁破坏形态的主要因素. 计算力学学报. 2003， 20 （1）： 3943 2方秦， 柳景春， 张亚栋. 爆炸荷载作用下钢板与钢筋混凝土组合梁动力响应分析. 工程力学增刊. 1997： 321325 3陆新征，江见鲸. 世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析 J . 土木工程学报， 2001， 34 （6） ： 8210. 4 肖诗云，林皋，王哲. Drucker2Prager 材料一致率型本构模型 J . 工程力学， 2003， 20 （4） ： 1472151. 5 张凤国，李恩征. 大应变高应变率及高压强条件下混凝土的计算模型 J . 爆炸与冲击， 2002， 22 （3） ： 1982202. 6 陆新征，江见鲸. 世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析 J . 土木工程学报， 2001， 34 （6） ： 8210. 7 石少卿；刘仁辉；汪敏.钢板-泡沫铝-钢板新型复合结构降低爆炸冲击波性能研究J. 振动与冲击. 2008（04）.
