内爆作用下RC框架结构填充墙泄爆面积研究★

庞学港，李 娟，刘 香，刘佳伟

(内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

0 引言

我国现有公共建筑广泛采用RC框架结构，这些公共建筑在结构设计时，大多没有考虑爆炸荷载对结构的破坏作用。近年来，恐怖袭击与意外爆炸事件频频发生，在内爆作用下对建筑结构造成严重的破坏，同时对人员伤亡和财产损失造成严重的威胁。目前已有相关研究者证明设置加固泄爆组合墙体可以有效减轻结构构件的破坏程度以及减小人员伤亡与财产损失，而加固泄爆组合墙体中合理的泄爆面积对减轻结构构件破坏至关重要[1-4]。所以本文针对RC框架结构墙体在内爆作用下设置合理的泄爆面积进行研究。

1 有限元模型建立

1.1 模型概况

为提高计算效率，从某实际工程中截取2层3×3跨RC框架结构，层高均为4.5 m。房间、测点位置与建筑平面图如图1(a)所示，三维模型如图1(b)所示。将40 kg TNT放置于2层不同类型房间的中部，起爆点高度为层高1/2。填充墙采用加气混凝土砌块，外墙和内墙厚度分别为300 mm与200 mm，砌块强度为B06级，砌筑砂浆强度为M5.0。RC框架结构构件混凝土强度均为C30。楼板厚度为120 mm，柱子截面尺寸为600 mm×600 mm。①～④，，轴梁截面尺寸为350 mm×1 000 mm，，Ⓒ轴梁与次梁截面面积均为300 mm×800 mm。由于炸药放置于RC框架结构2层房间内，对底层墙体影响很小，所以模型只建立2层墙体。

1.2 材料模型与参数

钢筋混凝土、砌块、泡沫混凝土、碳纤维布、空气和炸药的材料模型、状态方程、单元类型以及单元算法如表1所示。钢筋和混凝土采用整体式建模，所采用的材料模型能够很好地描述高应变率条件下混凝土及砌体响应问题，且可直接定义钢筋的相关参数。该材料失效应变通过关键字*MAT_ADD_EROSION定义，流固耦合通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID来实现。在空气表面施加无反射边界条件来避免边界处冲击波的反射对求解域影响，同时可以模拟无限大空间。各材料之间的接触，通过关键字*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE来实现接触类型。炸药和各构件的网格尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，空气的网格尺寸为20 cm×20 cm×20 cm，计算终止时间为60 ms[5-7]。

表1 材料模型及算法

2 数值模拟结果对比分析

为了研究内爆作用下RC框架结构加固泄爆组合墙体合理的泄爆面积，本文针对RC框架结构的角部房间和中部房间各建立三组模型，对其破坏形态和压力时程曲线进行对比分析[8-11]。各模型设计概况如表2所示。

表2 模型设计概况

2.1 角部房间合理泄爆面积的研究

2.1.1 加气混凝土墙体所确定的泄爆面积

图2为模型1的破坏形态图。由图2可知，2层楼板被炸起呈现上拱，沿塑性铰开展裂缝；①轴与CD跨框架梁与2层楼板交接处产生较大裂缝，呈弯曲和冲切破坏；一层楼板产生大量裂缝发生破坏，失去荷载承受能力；房间外墙与内墙均被炸飞；次梁跨中严重断裂，且与①～②交于轴框架梁交接处产生较大裂缝；①～②交于轴框架梁跨中与梁柱节点发生轻微裂缝，柱子中部发生断裂。相邻房间内墙被炸发生破坏，墙体产生较多建筑碎片，其他结构构件未发生破坏。

图3为无洞口内墙中心空气压力时程曲线。由图3可知，测点位置在16 ms时达到最大峰值压力,约为1.75 MPa，之后压力值逐渐减小，在22 ms时压力值又持续增大，测点压力值处于反复。图4为梁跨中测点的压力时程曲线。由图4可知，爆炸冲击波在20 ms时达到峰值压力，约为8.2 MPa。由于爆炸冲击波到达结构构件，对其具有反射作用，所以压力值在27 ms时逐渐上升，再次达到峰值后下降。由此说明当房间A内泄爆面积占墙体面积的11.3%时，爆炸冲击波不能很好的耗散，造成测点压力反复，最终导致结构构件发生更大的破坏。

2.1.2 加固泄爆组合墙体所确定的泄爆面积

图5为模型2的破坏形态图。由图5可知，2层楼板出现裂缝；①轴与CD跨框架梁发生弯曲，出现竖向裂缝；次梁发生剪切破坏出现断裂；框架柱未发生破坏。内墙采用碳纤维布进行加固，对爆炸冲击波起到阻挡作用，相邻房间B内墙体破坏较轻，框架结构主体基本完好。相较于模型1，模型2结构构件破坏有所减小，这是由于模型2泄爆面积占墙体面积的63.7%远大于模型1泄爆面积占墙体面积的11.3%，模型2能够将爆炸冲击波较好地耗散，结构构件受到冲击波较小。

图6为无洞口内墙中心A1测点的空气压力时程曲线。由图6可知，在8 ms时A1测点达到最大压力峰值，约为3.8 MPa。与模型1相比，测点位置压力峰值有明显增大且达到峰值时间缩短至8 ms。这是由于对无洞口内墙采用碳纤维布进行加固，爆炸冲击波到达墙体时，墙体对冲击波有很强的反射作用。在23 ms时爆炸冲击波压力降为0，说明墙体破坏。图7为梁跨中A2测点压力时程曲线。由图7可知，在35 ms时达到最大压力峰值约为13.7 MPa，出现峰值时间较长。这是由于泄爆墙体将爆炸冲击波耗散出去后，冲击波形成环流超压，持续对框架梁产生作用，直至达到最大压力峰值后压力值逐渐下降。

2.1.3 考虑冲击波对相邻房间影响所确定的泄爆面积

图8为模型3的破坏形态图。由图8可知，2层楼板出现裂缝，发生冲切破坏；框架梁、柱主要结构构件均未发生破坏，次梁跨中出现竖向裂缝发生破坏；房间内泄爆墙体被炸飞，起到良好的泄爆作用；房间B内结构构件未发生破坏。

图9为无洞口内墙中心A1测点空气压力时程曲线。由图9可知，在6 ms时达到最大压力峰值约为3.0 MPa。在5 ms～8 ms压力值频率较高，波动幅度大。在24 ms时压力值为0，说明此时测点位置墙体发生破坏。相较于模型2，最大压力峰值略小，同时出现时间减短、墙体破坏时间相近。图10为梁跨中A2测点压力时程曲线。由图10可知，最大压力峰值在39 ms左右出现，约为18 MPa，高于模型1与模型2。

通过对模型1～模型3的无洞口内墙中心、梁跨中时程曲线和结构构件破坏形态进行对比分析，可知模型1楼板、框架梁柱及墙体主要结构构件受损最为严重，不能继续正常使用；模型2框架梁发生一定程度的破坏，框架柱未发生破坏，框架结构整体完好；模型3主要结构构件未发生破坏，框架结构整体完好。

2.2 中部房间合理泄爆面积的研究

2.2.1 加气混凝土墙体所确定的泄爆面积

图11为模型4的破坏形态图。由图11可知，2层楼板被爆炸冲击波冲击破坏，出现较多明显的冲切裂缝；②～③交 于轴框架梁与次梁连接处出现较大裂缝，次梁跨中发生破坏；②交于轴框架柱底部出现裂缝；房间B内墙体破坏严重，产生大量建筑碎片。相邻房间A外墙出现裂缝，发生破坏。

图12,图13分别为无洞口内墙中心B1测点与边梁跨中B2测点压力时程曲线。由图12，图13可知，B1测点在32 ms时达到最大压力峰值，约为2.4 MPa，在炸药爆炸后B1测点压力值一直持续波动，并在22 ms后逐渐增大，直至达到最大压力峰值。B2测点在31 ms时达到最大压力峰值约为15.0 MPa，达到最大峰值前压力值持续波动。这是由于墙体全部设置加气混凝土砌块墙时，爆炸冲击波在房间内无法很好地耗散出去，导致在房间内反射，使墙体一直受到冲击。说明仅墙面孔口作为泄爆面积，即泄爆面积占墙体面积的11.6%时，不能满足泄爆要求，导致结构构件破坏严重。

2.2.2 加固泄爆组合墙体所确定的泄爆面积

图14为模型5的破坏形态图。由图14可知，2层楼板沿梁板交接处发生破坏产生大量裂缝，楼板中部发生冲切破坏出现沿塑性铰延伸的裂缝；②～③交于轴框架梁出现斜向裂缝；次梁跨中发生弯曲破坏，产生裂缝；框架柱未发生破坏。相邻房间A墙体发生轻微破坏，整体结构完好。

图15，图16分别为无洞口内墙中心B1测点与边梁跨中B2测点压力时程曲线。由图15，图16可知，由于墙体采用碳纤维布进行加固，爆炸冲击波达到加固墙体时，对墙体产生更大的反射作用，爆炸冲击波难以耗散，所以压力值持续波动，直至15 ms时达到最大压力峰值约为3.50 MPa；约为23 ms时压力值将为0，说明此时墙体破坏。B2测点在12 ms时达到最大压力峰值约23.0 MPa，达到最大压力峰值之后，压力值逐渐减小，在20 ms时又有所增大。这是由于爆炸冲击波对结构构件的反射作用所引起。由此可知，泄爆面积占墙体面积的33.7%时，爆炸冲击波不能很好的耗散，但优于模型4。相较于模型4，结构构件破坏有所减轻。

2.2.3 考虑冲击波对相邻房间影响所确定的泄爆面积

图17为模型6的破坏形态图。由图17可知，2层楼板产生裂缝发生破坏，1层楼板未发生破坏；框架梁、柱均未发生破坏；房间内次梁跨中出现裂缝，发生轻微破坏；泄爆墙体被爆炸冲击波冲击破坏，其能够较好的耗散。相邻房间A泄爆墙体充分破坏，结构构件完好未发生破坏。

图18，图19分别为无洞口内墙中心B1测点压力时程曲线与边梁跨中B2测点压力时程曲线。由图18，图19可知，B1测点在18 ms时达到最大压力峰值约为2.20 MPa，达到最大压力峰值之前，压力值波动较大，这是由于内墙加固造成反射所导致。在22 ms时压力值降为0，说明墙体破坏。B2测点在29 ms时达到最大压力峰值约为24.0 MPa。达到最大压力峰值之后逐渐减小，压力值波动频率小，说明爆炸冲击波能够良好的耗散，结构构件受到爆炸冲击波反射作用小。相较于模型4与模型5，模型6泄爆面积占墙体面积的51.5%时，爆炸冲击波能够更好的耗散，结构构件能够得到有效的保护。

3 结论

1)RC框架结构中在内爆作用下，角部房间与中部房间填充墙采用加气混凝土砌块墙体，即泄爆区域为门窗洞口面积时，爆炸冲击波在房间中难以耗散，结构构件破坏严重，影响建筑物安全使用。

2)当爆炸当量为40 kg，泄爆面积为63.7%时，框架柱未发生破坏，结构构件受到爆炸冲击波作用较小；泄爆面积为70.6%时，梁、柱构件均未破坏，结构整体完好。对于房间面积70 m2的角部房间设置加固泄爆组合墙体，合理的泄爆面积范围为63.7%～70.6%。

3)当爆炸当量为40 kg，泄爆面积为33.7%时，梁出现裂缝发生轻微破坏，柱未破坏；泄爆面积为51.5%时，梁、柱构件均未发生破坏，结构整体完好。对于房间面积约为67 m2的中部房间设置加固泄爆组合墙体，合理的泄爆面积范围约为33.7%～51.5%。

4)RC框架结构中设置加固泄爆组合墙体时，泄爆区域优先选择设置在外墙；若外墙泄爆区域不能满足泄爆要求，则选择有洞口内墙，内墙泄爆区域应设置在墙体上部，且与已有洞口相连通；若三面墙体设置泄爆区域尚不满足泄爆要求，对无洞口内墙设置泄爆区域，应在墙体上部且不低于2.4 m，水平贯通时避免形成局部小洞口而造成射流，确保相邻房间人员安全。