爆炸压强在建筑物表面分布的数值模拟★

都 浩 杜荣强

近几年由于操作失误或者蓄意破坏所造成的爆炸事故不断发生，而爆炸对建筑物的损伤与破坏造成了巨大的生命和财产损失，因此对于易于遭受爆炸破坏的建筑物需要进行抗爆设计或加固［1］。在进行建筑物的抗爆设计或加固时，首先需要确定作用在建筑物上的爆炸荷载。但是由于建筑物的外形、尺寸和位置等因素复杂多样，确定建筑物的爆炸荷载仍然存在很多困难［2-5］。

为了研究爆炸压强在建筑物表面的分布规律，计算作用在建筑物外部的爆炸荷载，应用非线性显式有限元分析软件AUTODYN建立爆炸冲击波向建筑物传播的数值分析模型，进而分析建筑物表面爆炸压强的分布规律。

1 模型描述

炸药在刚性地面上发生爆炸，爆炸中心至目标建筑物的距离为10 m，炸药的TNT当量为1 000 kg。建筑物外形为长方体，其尺寸为5 m×10 m×10 m。选取建筑物周围空气的尺寸为20 m× 20 m×11 m，假定在初始状态时建筑物周围环境中的空气压强为一个标准大气压强(101.3 kPa)，并且在空气的边界上允许空气的流出［6］。假设建筑物为刚体，采用拉格朗日单元划分，而空气则采用欧拉单元进行划分。根据对称性，取一半结构应用AUTODYN软件建立其有限元模型进行数值模拟。

2 建筑物迎爆面的爆炸压强

位于刚性地面上的炸药引爆后，产生的爆炸冲击波迅速传播到目标建筑物上，由于目标建筑物的反射作用，在建筑物表面产生很大的反射压强。在建筑物迎爆面上，距地面每隔1 m高度设置一个测点，用于计算爆炸冲击波的各项参数。图1给出了这些不同高度位置处测点的压强随时间的变化规律，即其压强时程曲线。从图1中可以看出，在爆炸冲击波传播到建筑物后，由于建筑物表面的反射，其底部压强迅速达到了近4 MPa的峰值压强，但爆炸作用的持续时间很短。此外可以看出，不同高度处的压强时程曲线的外形相近，但各条曲线的峰值压强和到达时间均不相同。

地面爆炸在建筑物的底部产生了很大的峰值压强，然而沿着建筑物的高度方向，由于至爆炸中心的距离增大，同时地面反射作用减小，作用在建筑物上的爆炸压强迅速减小。此外，从建筑物迎爆面不同高度处的峰值压强的到达时间来看，随着至爆炸中心的距离的增大，爆炸冲击波的传播速度和加速度都在减小，达到峰值压强所需要的时间也在增加。

3 建筑物侧面的爆炸压强

爆炸冲击波遇到建筑物后，一部分爆炸冲击波被反射回来，还有部分冲击波会绕过建筑物继续向前传播，同时发生冲击波的绕流现象，并且在建筑物的侧面也会产生相应的爆炸压强。

在建筑物的侧面，沿建筑物高度方向每隔1 m设置一个测点。位于0 m，5 m和10 m高度处的测点上的压强时程如图2所示。从图2中可以看出，对于传播到建筑物底部的爆炸冲击波，其侧面的峰值压强不到400 kPa，仅为其迎爆面峰值压强的1/10。

此外从图2中也可以看出，沿着建筑物的高度方向，各测点的压强时程曲线外形相似，正压作用时间相近。但是随着建筑物高度的增大，峰值压强逐渐减小，达到峰值压强的所需时间也在增加。在压强时程曲线上还可看出，由于建筑物与地面的多重反射，压强产生了多个波峰。

4 建筑物背爆面的爆炸波

爆炸冲击波除了在建筑物的迎爆面和侧面产生压强以外，还会在建筑物的背爆面产生爆炸压强。这是因为有一部分爆炸冲击波从建筑物的侧面和顶部绕过建筑物，到达建筑物的后面，从而在建筑物的背爆面产生爆炸冲击作用。

图3给出了建筑物背爆面不同高度处的压强时程曲线。从图3中可以看出，背爆面的峰值压强最大值位于顶部，这是由爆炸冲击波从建筑物顶部绕过之后在背爆面产生的。然而这个峰值压强不到220 kPa，相比建筑物迎爆面的峰值压强要小得多。

在图3中，实线所绘制的曲线表示建筑物背爆面底部的测点上计算得到的压强时程。从曲线上可以看到两个峰值，这是因为绕过建筑物侧面和绕过顶部的两部分冲击波先后到达测点所形成的。此外从建筑物顶部的压强时程曲线上还可看到较长时间的负压作用。可见，由于建筑物背爆面存在多个方向的绕流和多重反射，使得其爆炸压强变得非常复杂。

5 结语

通过对建筑物外表面爆炸压强的数值模拟，可以得出以下结论：1)AUTODYN软件可以较好地模拟爆炸冲击波在建筑物外表面产生的爆炸压强;2)由于目标建筑物的反射作用，在建筑物的迎爆面将产生很大的反射压强;3)由于爆炸冲击波的绕流，建筑物的侧面和背爆面也会产生爆炸荷载作用，但这种作用相比建筑物的迎爆面要小得多，而且由于爆炸冲击波的绕流受到建筑物自身的形状和尺寸的影响，建筑物侧面和背爆面的压强更为复杂。参考文献：

［1］ Li Zhongxian，Du Hao，Bao Chunxiao.A review of current researches on blast load effects on building structures in China［J］.Transactions of Tianjin University，2006，12(S1)：35-41.

［2］ Smith Peter D.，Rose Timothy A..Blast wave propagation in city streets-an overview［J］.Progress in Structural Engineering and Materials，2005，8(1)：16-28.

［3］ Remennikov Alex M.，Rose Timothy A..Modelling blast loads on buildings in complex city geometries［J］.Computers＆Structures，2005，83(27)：2197-2205.

［4］ Luccioni B.，Ambrosini D.，Danesi R..Blast load assessment using hydrocodes［J］.Engineering Structures，2006，28(12)：1736-1744.

［5］ Clutter J.Keith，Mathis James T.，Stahl Michael W..Modeling environmental effects in the simulation of explosion events［J］.International Journal of Impact Engineering，2007，34(5)：973-989.

［6］ 都 浩，李忠献，郝 洪.建筑物外部爆炸超压荷载的数值 模拟［J］.解放军理工大学学报，2007，8(5)：413-418.