水下爆炸对高桩码头毁伤效应的试验研究*

刘靖晗，唐 廷，韦灼彬，李凌锋

（1. 海军工程大学，湖北 武汉 430033；2. 海军勤务学院，天津 300450）

港口工程是国家经济贸易和军事战略的重要支撑，高桩码头是港口工程最常用的结构形式之一，考虑恐怖袭击和军事打击，水下爆炸是高桩码头面临的主要威胁，开展高桩码头水下爆炸试验研究，对高桩码头破坏模式判定和抗爆性能评估的研究有重要意义。

国内外对水下爆炸冲击波、气泡载荷以及结构毁伤效应等方面正取得一定研究成果，高勇军等[1]、顾文彬等[2-3]基于试验和数值模拟研究了水下冲击波传播荷载规律，Wardlaw 等[4]、张阿漫等[5]通过试验和理论探析了气泡脉动及射流特性。关于水下爆炸结构毁伤，研究成果主要集中在舰船、潜艇结构，朱锡等[6-7]、李海涛等[8-9]等对舰船结构进行简化缩尺，研究了水下爆炸下钢结构板、梁的破坏模式和毁伤机理。黄晓明等[10]简化潜艇为钢制圆柱壳模型，分析了钢制圆柱壳在水下爆炸载荷下的动态响应。相较钢材，混凝土材料的抗爆性能更加复杂，刘美山等[11]、李裕春等[12]通过试验研究了水下爆炸作用下混凝土结构的应力状态、毁伤现象和破坏程度，李建阳等[13]通过数值模拟软件研究了混凝土立方体在不同工况水下爆炸荷载下的破坏过程。考虑试验成本和效率，一般采用模型试验开展大型建筑的抗爆研究，董琪等[14]、李凌锋等[15]通过沉箱码头模型试验，分别研究了空中爆炸、水下爆炸和内部爆炸下，沉箱码头的毁伤效应。目前，针对高桩码头抗爆性能的研究开展较少，韦灼彬[16]通过高桩码头模型试验，研究了不同炸药位置空中爆炸下高桩码头的破坏形态和毁伤机理，闫秋实等[17]采用数值模拟软件分析了炸深和爆距对单个桩基的毁伤效应，得到了特定深度水下爆炸下单桩的毁伤区域。由于高桩码头结构复杂、混凝土材料响应的强非线性以及冲击波反射、绕射，气泡脉动射流等载荷多变，通过模型试验开展高桩码头水下爆炸毁伤效应的破坏模式和毁伤机理的研究十分必要。

本文中通过开展高桩码头水下爆炸试验，对水下爆炸下荷载特性和码头毁伤情况进行采集分析，分析炸药位置对码头毁伤效应的影响，得到水下爆炸下高桩码头的主要毁伤因素和破坏模式，系统分析高桩码头各构件的毁伤机理，研究炸药位置对高桩码头毁伤效应的影响，以期为进一步开展理论和数值模拟研究提供参考和依据。

1 试验设计

1.1 试验方案

高桩码头模型水下爆炸试验在野外试验场地开展，采用1 kg 的球形乳化炸药，共计完成2 个高桩码头模型（编号分别为HW1、HW2）水下爆炸试验。高桩码头模型总高3.55 m，桩基长3.1 m，其中土下桩长1.3 m，水中桩长1.7 m，水面桩长0.1 m。HW1 模型为横向3 跨、纵向3 跨的高桩码头模型，炸药位于模型中部4 个桩基的中心位置，炸药正对桩基棱边，距离桩基0.61 m，炸药上方为码头面板，自由场压力传感器位于码头外侧，传感器与炸药距离2.4 m。HW2 模型为横向2 跨、纵向3 跨的高桩码头模型，炸药位于模型中部2 个桩基的中间位置，距离桩基0.29 m，炸药上方正对纵梁，自由场压力传感器位于码头外侧，传感器与炸药距离2.3 m。试验场地、炸药及传感器布设如图1～2 所示。

图1 试验场地、炸药及传感器布设方案（HW1）Fig. 1 Experimental site, explosive and sensor position arrangement (HW1)

图2 试验场地、炸药及传感器布设方案（HW2）Fig. 2 Experimental site, explosive and sensor position arrangement (HW2)

1.2 试验模型

试验模型按照钢筋混凝土梁板式高桩码头为参照，以真实反映高桩码头结构特性和材料特性为准则，参考水工混凝土结构设计规范，结合静力学计算和试验需求，兼顾施工可行性和试验场地条件，设计试验模型。

码头模型总高3.55 m，面板厚100 mm，横梁为倒置T 形梁，翼缘宽200 mm，厚200 mm，肋宽120 mm，肋高250 mm，总高450 mm；纵梁截面70 mm×250 mm，横梁、纵梁与面板重叠100 mm；桩基长3.1 m，方形截面120 mm×120 mm。考虑真实情况下高桩码头的土下桩基较长，主要起到摩擦、抗拔作用，模型试验中适当缩短高桩码头模型的桩基入土长度，桩基底部通过10 cm 厚素混凝土垫层固定。码头模型上部结构（包括横梁、纵梁、面板）的混凝土设计强度为C40，桩基的混凝土设计强度为C50，钢筋统一采用HRB335 型号，模型主要构件参数情况如表1 所示。

表1 主要构件参数（单位为mm）Table 1 Matching bar condition of main members (unit in mm)

2 水中爆炸荷载分析

为测试乳化炸药水下爆炸的载荷情况，2 次试验分别在距离码头0.5、1 m 处设置自由场压力传感器，传感器距水面深度与炸药水深一致，传感器距离炸药分别为2.4 和2.3 m。

图3 为第2 次试验测点的压力时程曲线，2 个测点的压力时程曲线变化规律基本一致，主要出现两个荷载阶段：在冲击波初始阶段压力瞬时达到峰值，随后在下降阶段压力重新增加达到第二个峰压，然后逐渐衰减并趋于稳定，在约17 ms 后出现第2 次载荷，压力曲线出现振荡并达到峰压，随后振荡逐渐减弱趋于稳定。第1 次荷载阶段中第1 个峰压为初始冲击波，第2 个峰压为水底反射波，水底反射波到达的时间滞后于初始冲击波并峰压较小；水下爆炸伴随冲击波会产生气泡，第2 次荷载阶段的峰压为气泡脉动产生的气泡脉冲载荷。

图3 水下压力时程曲线Fig. 3 Underwater pressure histories

Cole 基于大量实地实验得到自由场水下爆炸冲击波、气泡脉动及气泡周期的经验公式[18-19]：

式中：W为TNT 装量，kg；S为荷载传播距离，m；H为炸药距离水面的深度，m；Pm为冲击波峰压，MPa；I为冲击波比冲量，Pa·s；pm为气泡脉冲峰压，MPa；i为气泡脉冲比冲量，Pa·s；T为气泡第一次脉动周期，s；Z为炸药位置的流体静压的等效水深，m，Z=H+H0，H0为水面大气压的等效水深，H0=10.33。

根据经验公式对比1 kg TNT 与1 kg 乳化炸药的荷载及气泡脉动特性，如表2 所示。同等装药量下，乳化炸药水下爆炸的冲击波峰压与冲击波比冲量稍弱于TNT，由于试验中水深较浅，气泡没有完成一次完整的气泡脉动周期而提前溃散，因此气泡周期、气泡脉动荷载和比冲量与经验公式的相对误差较大。

表2 1 kg 乳化炸药与1 kg TNT 水下爆炸荷载比较Table 2 Comparison of underwater explosion load between 1 kg emulsion explosive and 1 kg TNT

3 结构毁伤情况

3.1 高桩码头模型HW1 毁伤模式

高桩码头模型HW1 的破坏区域主要为炸药附近的4 个桩基、码头面板以及梁板连接处，整体毁伤现象如图4（a）～（b）所示。炸药附近4 个桩基向外侧发生弯曲变形，桩基的中部和顶部均出现裂缝和破损；码头面板向上隆起，面板长边两侧中部混凝土破坏；剥落的混凝土碎块飞散开落到面板顶部，码头面板、纵横梁均产生局部裂缝；距离炸药较远的12 个桩基和码头短边两侧基本没有毁伤现象。

3.1.1 桩基毁伤

HW1 中炸药位于高桩码头中部4 个桩基之间，4 个桩基向外侧发生明显弯曲变形，桩中位移量约7.2 cm，如图4（c）所示，炸药正对桩基棱边，桩基的棱边及两侧迎爆面直接受到爆炸冲击波和爆轰产物的作用，桩基迎爆面和背爆面均有一定损伤。4 个桩基中部迎爆棱边混凝土被压碎，形成中间深四周浅的爆坑，如图4（d）所示，竖向长度约18 cm，水平长度约6.1 cm；4 个桩基背部形成2～4 条水平平行裂缝，裂缝主要分布于桩基的中部，裂缝由背爆棱边向两侧发展，贯穿桩基两侧背爆面，裂缝为中间宽两边窄，最大裂缝宽度达2 cm，平行裂缝之间存在少数竖向裂缝，如图4（e）所示。桩基底部向外侧轻微偏移，但没有明显损伤现象，桩基顶部迎爆面和背爆面均产生一定损伤，如图4（f）～（g）所示，桩基迎爆面顶部与上部横梁的连接面发生整体切断，桩顶横截面与横梁底部产生明显间隙，桩顶背爆棱边形成锥形破坑，桩顶背爆面形成45°向下的斜裂缝。

桩基的毁伤区域主要集中在桩中和桩顶，由于炸药为球形装药，初始冲击波和气泡呈现球形向外传播，桩基中部迎爆棱边最先受到水下冲击波和气泡的载荷作用，桩基中部迎爆棱为受压区，因此桩基迎爆棱混凝土被压碎。冲击波传播至桩基后产生应力波分别沿桩截面和桩长方向传播，水平应力波在桩基背面反射产生拉伸波，桩基中部背面为受拉区，由于混凝土抗拉强度很低，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，在桩基背面产生水平裂缝；竖向应力波由桩中分别向桩顶和桩底传播，由于桩顶与横梁固支，桩顶剪切力集中，并且桩基与上部梁板结构分2 次浇筑，两者的混凝土标号不同，桩梁连接处为薄弱区域，桩顶与横梁连接处抗剪强度不足时桩顶横截面直接断裂。由于桩基中部向外侧弯曲变形，桩顶迎爆面为受拉区，桩顶背爆面为受压区，因此截面断裂由桩基迎爆侧发展，桩顶背爆棱边混凝土在压应力和剪切应力的共同作用下破碎。

3.1.2 面板毁伤

将码头面板分为9 个区域，如图4（h）所示，主要破坏区域为面板中部区域（4#、5#、6#），面板整体向上弯曲凸起，长边两侧的中部混凝土破坏严重，破碎长度分别为102.7 和98.8 cm，面板钢筋裸露，两侧破碎区域形成裂缝向中间发展，如图4（i）～（j）所示。面板中部5#顶部产生龟裂裂缝，面板短边两侧顶部基本完好。面板底部直接受到荷载作用，毁伤现象更加严重，毁伤程度由强到弱依次为4#(6#)、5#、2#(8#)、1#(3#、7#、9#)，图4（o）为面板中部区域5#底部毁伤现象，5#面板向上凸起约20 cm，与纵梁、横梁均分离约4 cm，形成明显间隙，面板与横梁、纵梁连接处混凝土几乎完全失效而脱离，面板钢筋裸露，钢筋受向上的拉力作用而使混凝土保护层剥离严重，面板边缘出现撕裂裂缝。图4（m）为面板边长侧4#底部毁伤现象，面板4#、6#靠近长边两侧破坏最严重，面板与纵横梁连接处大面积混凝土破坏，面板长边侧底部与顶部形成贯穿破口，面板长边侧上移约10 cm，钢筋裸露。图4（l）为面板短边侧2#底部毁伤现象，面板2#、8#在靠近炸药的纵、横梁连接处混凝土破坏，形成撕裂裂缝，靠近短边侧面板基本完好，面板4 个角区域（1#、3#、7#、9#）毁伤最轻微。

图4 水下爆炸高桩码头模型破坏现象（HW1）Fig. 4 The damage phenomena of the high-piled wharf model under underwater explosion (HW1)

水下爆炸后应力波由桩基、横梁、纵梁依次传播至面板，最终在面板顶部形成反射拉伸波，气泡在膨胀的过程中由于水底边界限制，气泡向水面方向膨胀，水面隆起直接作用于面板。面板长、短边长之比为1.65∶1，为双向板，其中长边为主要受力边，气泡引起的水面冲击载荷相较于冲击波荷载峰值小，但作用时间长，面板受到较大的荷载冲量。由于码头面板较薄，其抗剪承载力较弱，并且面板纵筋没有与纵、横梁钢筋绑扎，其销栓抗剪作用有限，容易发生剪切破坏，因此面板主要呈现边界的剪切破坏，同时桩基变形引起上部横梁向外侧变形，加剧了面板四边连接处的破坏。由于板内钢筋的存在，面板局部发生冲切破坏而未完全脱离结构，面板中部发生弯曲变形。

3.1.3 横梁、纵梁毁伤

码头纵、横梁与面板连接处的混凝土毁伤严重，面板向上变形，与纵横梁已经脱离，连接处钢筋裸露，如图4（n）、（p）所示，5#面板直接受到水面载荷作用，两侧纵梁由底部中间向两侧形成两条弯剪斜裂缝。水面隆起直接作用在5#面板以及四周纵、横梁，由于载荷作用在横梁的强轴方向，横梁的抗弯强度较强，未发生明显损伤，纵梁相对抗弯剪强度稍弱，5#面板两侧纵梁形成轻微斜裂缝，梁板连接处抗剪强度最弱，为主要毁伤区域。

3.2 高桩码头模型HW2 毁伤模式

高桩码头模型HW2 的破坏区域主要为炸药附近2 个桩基、纵梁、面板以及面板与纵横梁的连接处，主要毁伤部位的破坏现象如图5 所示。炸药附近2 个桩基毁伤严重，桩基的中部和顶部大面积混凝土破坏，钢筋裸露，桩基向外侧严重变形，炸药正上方纵梁出现对称斜裂缝，面板与纵横梁连接处出现裂缝，面板中部出现细微裂缝，轻微向上隆起，距离炸药较远的10 个桩基基本没有损伤。

图5 水下爆炸高桩码头模型破坏现象（HW2）Fig. 5 The damage phenomena of the high-piled wharf model under underwater explosion (HW2)

3.2.1 桩基毁伤

HW2 中炸药位于2 个桩基之间，桩基迎爆面混凝土直接受到爆炸冲击波和爆轰产物的作用，桩基向外侧弯折，炸药附近2 个桩基的中部和顶部混凝土毁伤严重，2 个桩基中部均出现贯穿破坏，桩基中部破坏长度约30 cm，其中背爆面的破坏长度大于迎爆面，裸露的钢筋向外侧发生明显弯曲变形，但没有被剪断。桩基顶部至中部的迎爆面混凝土保护层完全剥离，钢筋完全裸露，如图5（e）所示，桩基底部发生明显位移，但毁伤程度较弱，在桩底出现水平细微裂缝。2 个桩基中部挠度有所不同，并且桩基变形方向呈一定角度，如图5（g）所示，桩基中部分别位移49.4 和21.2 cm，这主要由于施工工艺不足以及炸药在在注水过程中定位出现偏差产生。

炸药两侧桩基在冲击波和气泡作用下，桩基中部迎爆面混凝土直接受压破坏，桩基向外侧迅速变形，混凝土与钢筋粘结失效，混凝土破碎、飞散，随着桩基弯曲变形，桩基背爆面混凝土受拉而失效，桩基中部破坏区域贯通。桩基顶部与横梁固接，其中桩基顶部迎爆面受到拉应力，桩基顶部背爆面受到压应力，左侧桩基挠度较大，桩顶迎爆面混凝土受拉完全破坏，与桩顶背爆面和桩中破坏区域贯通，右侧桩基的桩顶区域裂缝贯穿形成塑性铰，桩顶背爆面混凝土被压坏。桩基底部受到水底黏土的柔性约束，产生一定位移从而衰减了桩底受到的弯剪应力，因此桩基底部的毁伤效应较轻微。

3.2.2 面板、横梁、纵梁毁伤

码头HW2 面板顶部基本没有损伤，仅在中部出现细微裂缝，面板底部与纵、横梁连接处出现水平裂缝，并且与纵梁的斜裂缝贯通形成通长裂缝，如图5（c）所示，纵梁两端形成2 条基本对称的弯剪斜裂缝，斜裂缝由梁板连接处延伸至纵梁下沿中部，裂缝为上宽下窄，两侧的斜裂缝在纵梁底部贯通。这是由于炸药位于纵梁下部，气泡向水面方向膨胀而直接作用在上方纵梁，纵梁直接受到水面载荷，并缓冲了气泡载荷，因此面板整体毁伤较轻微，面板向上弯曲隆起约3 cm。

4 炸药位置对高桩码头毁伤模式的影响

高桩码头主要由桩、梁、板组成，桩基首先受到冲击波和气泡脉冲的荷载作用，码头上部结构主要受到由桩基传播的应力波和气泡膨胀引起的水面载荷，炸药位置对高桩码头的毁伤效应影响较大，将HW1 和HW2 下高桩码头关键部位的主要毁伤模式汇总于表3。

表3 高桩码头模型毁伤效应Table 3 Damage effect of high-piled wharf

HW1 和HW2 的毁伤区域主要集中在炸药附近桩基和上部梁板结构，桩基的毁伤区域主要为桩基的中部和顶部。HW2 中炸药爆距小于HW1 中的，码头HW2 的桩基的破坏程度远大于码头HW1 的，靠近炸药的2 个桩基中部和顶部破坏严重，已丧失承载力。HW1 中的炸药位于面板下方，面板直接承受气泡膨胀引起的载荷，而HW2 中的炸药位于纵梁下方，纵梁相较面板的抗弯剪能力更强，并且当气泡膨胀引起水面隆起冲击上部结构时，纵梁能起到缓冲并截断水面（气泡）的作用，消耗了一定的气泡冲击能量，减弱了气泡膨胀对面板的载荷，同时纵梁受的冲击作用增强，因此HW2 中纵梁的破坏现象较HW1 中的增强；另一方面，HW2 中的桩基中部和顶部基本完全破坏，消耗了大量的水下爆炸能量，由于梁板受到的载荷一部分由桩基向上传播，当桩基失效后，减缓了上部梁板结构的破坏，因此HW2 中的码头面板及梁板连接处的毁伤效应较HW1 中的轻微。综合比较不同炸药位置高桩码头模型的毁伤现象可以发现：爆距直接决定桩基的破坏模式和毁伤程度，炸药位置直接影响码头上部结构的毁伤效应，当炸药位于面板下方时，面板的毁伤增大，当炸药位于纵梁的下方时，对面板的毁伤明显减弱，而对纵梁的毁伤增强。

5 结 论

本文中通过开展水下爆炸对高桩码头毁伤效应的试验研究，得到如下结论：

（1）水下爆炸作用下，高桩码头受到的超压载荷主要包括初始冲击波和水底反射波的联合载荷以及气泡脉冲载荷。

（2）水下爆炸对高桩码头造成的毁伤部位主要为炸药附近桩基、面板以及梁板连接区域，水下桩基的毁伤程度大于码头上部结构。

（3）桩基的破坏区域主要为桩基的中部和顶部，桩基中部迎爆面混凝土受压破坏形成爆坑，桩基中部背面混凝土受拉形成水平裂缝，桩基迎爆面顶部与横梁连接处发生剪切破坏，桩基背爆面顶部混凝土压碎；随着爆距减小，水下爆炸对桩基的毁伤作用增强，桩基中部迎爆面和背爆面破坏区域贯通，桩基顶部混凝土基本失效，桩基丧失承载力。

（4）水下爆炸作用下，码头面板向上弯曲形成裂缝，当炸药位于面板下方时，气泡膨胀引起的水面载荷直接作用面板，对面板以及梁板连接处毁伤作用较强，面板顶部长边方向混凝土剪切破坏，面板底部与纵横梁连接处混凝土冲切破坏；当炸药位于纵梁下方时，纵梁缓冲了气泡载荷，减轻了面板以及梁板连接处混凝土的毁伤，面板与纵横梁连接处形成细微裂缝，纵梁形成对称斜裂缝，面板轻微弯曲向上隆起，面板毁伤效应较弱。