钢筋混凝土板震塌碎片特性试验

杨建超， 王 幸， 张 强， 孔德锋， 周松柏

(1.军事科学院国防工程研究院， 洛阳 471023； 2.上海机电工程研究所， 上海 201109)

钢筋混凝土结构是军事工程和民用工程最为常用的结构形式，但是由于混凝土固有的脆性特性(抗拉强度低、韧性差)使得其在受到爆炸、冲击等强动载作用下，结构极易产生剥离、震塌甚至贯穿等现象，由此产生的混凝土碎片飞入室内将对人员、设备、仪器等造成一定毁伤，严重的可以导致人员重伤，设备、仪器损毁或者丧失使用功能。为了准确分析其危害性，需要详细研究碎片的速度、大小、质量和分布等特性。

中外学者对建筑结构的碎片特性开展了一系列研究，美国早在20世纪50年代就对混凝土碎片特性研究极为重视，建立了偶然爆炸时有约束碎片抛掷速度的计算方法[1]。Erik等[2]通过爆炸试验并结合高速录像获取的碎片云数据，研究分析了炸药镶入混凝土板爆炸时，在一定区域上产生碎片的形状、速度、初始锥角和碎片云密度等，并根据试验结果分析了碎片初始速度的影响参数。Haberacker等[3]将炸药埋入砖砌体中，研究爆炸后产生碎片的散布规律、典型碎片大小以及对室内人员的毁伤效应。Shi等[4]研究了无筋砖墙在近距离爆炸时局部破坏产生碎片的速度、大小和散布范围。何翔等[5]研究了接触爆炸作用下，砖墙崩落产生碎片的特征。Wu等[6]对120 mm厚钢筋混凝土板震塌碎片的形状特征和尺寸大小开展了试验研究，发现碎片形状因子服从对数正态分布，碎片尺寸服从Weibull分布。黄小武等[7]通过对高速录像和碎片筛分析，研究了混凝土立柱爆破时碎片的抛掷规律。张志华等[8]从爆破拆除的研究目的出发，对不同强度混凝土进行了爆炸试验，根据试验结果对碎片大小分布进行了分析，表明强度越高，碎片尺寸越趋于均匀。龚顺风等[9]通过数值模拟和试验研究，对内爆作用下钢筋混凝土板碎片抛射速度进行了分析预测并给出了不同爆炸当量下碎片的抛射速度曲线。由于爆炸效应的复杂性，有限厚钢筋混凝土板接触爆炸作用下产生的碎片特性研究还较少，对人员的毁伤效应研究更是缺乏。

现对三种厚度钢筋混凝土板开展14炮次爆炸试验，依据试验结果建立简单便捷的碎片初始速度计算方法，研究分析碎片的质量大小以及毁伤特性，为工程防护设计和战斗部破坏威力精准评估提供参考依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

结合工程实际，钢筋混凝土靶板选用80 mm、150 mm和300 mm三种建筑工程中常见楼板厚度开展试验，钢筋选用直径10 mm的HPB300热轧光圆钢筋，保护层15 mm，混凝土强度等级C40，配筋形式如图1(a)所示。由于是有限厚板接触爆炸的局部破坏性试验，根据试验经验，靶板边长大于等于5倍装药直径即可忽略边界效应影响，试验中装药直径均不大于200 mm，故平面尺寸设计为1 000 mm×1 000 mm，如图1(b)所示。

图1 靶板尺寸及配筋形式Fig.1 Target plate size and reinforcement form

1.2 试验布置

试验由三硝基甲苯(TNT)炸药、钢筋混凝土靶板、钢制支撑架、高速摄像机、背景幕布、碎片软回收垫和松木板效应物等组成。试验时，靶板置于钢制支撑架上固定牢固，确保TNT爆炸过程中不出现变形或位移等现象。为了获取靶板震塌时碎片飞散的详细视图，在碎片抛射轴线方向侧向6 m处布置一台高速录像机，拍摄速度设置为5 000帧/s，视场覆盖碎片从初始抛射到飞行落地全过程，白色背景幕布便于高速录像捕捉碎片，幕布上画出300 mm×300 mm网格线，根据高速录像捕捉到碎片的轨迹、位置等连续画面后，结合背景幕布网格线、图片帧数等信息，分析判定碎片速度。开展碎片毁伤效应试验时，将松木板效应物距离靶板3 m放置，高速录像拍摄碎片对松木板的毁伤过程。现场布置如图2所示，俯视示意图如图3所示。

图2 试验布置图Fig.2 Testing arrangement

图3 俯视图Fig.3 Top view

1.3 试验计划

由于有限厚钢筋混凝土板在接触爆炸作用下，难以采用完全解析的方法计算板的受力状态和破坏模式，因此从工程应用角度考虑，防护工程界以大量实爆试验数据为基础，建立了由震塌系数Kz确定的相应破坏类型[10]，系数越小表明破坏越严重。根据文献[11]，钢筋混凝土板破坏类型与板厚、药量之间的关系如式(1)所示。

(1)

式(1)中:Kz为震塌系数, m/kg1/3；H为钢筋混凝土板厚，m；e为装药中心高度，m；C为TNT药量，kg。

根据式(1)，试验设计时通过调整震塌系数Kz的大小使板分别发生震塌、贯穿和冲切，研究钢筋混凝土板在三种破坏模式下所产生混凝土碎片的特性。具体试验计划如表1所示。

表1 试验计划Table 1 Experimental plan

2 试验结果及分析

2.1 碎片速度特性分析

通过高速录像拍摄震塌碎片飞行过程，图4为试验编号2-4靶板产生碎片的飞行状态，起爆后，爆轰波迅速作用到靶板上，0.2 ms内，在TNT炸药的位置处出现了震塌碎片束，初始较为集中，由背景幕布网格线可知，4 ms碎片束飞行了0.3 m，可推算速度为75 m/s；8 ms飞行了0.6 m，速度依然为75 m/s，未出现明显降速现象，但8 ms后碎片束有纵向增大趋势，但依然相对集中。飞行1.2 m，即起爆16 ms后，碎片束开始分散，部分单粒碎片因重力原因，向下移动明显，36 ms时碎片束已经不再集中，56 ms时碎片束已经完全分散仅剩余少许散布的碎片。

图4 试验编号2-4碎片视图Fig.4 Fragment view of Test No.2-4

采用图像捕捉法获取了碎片初始速度，误差为±0.2 ms(1帧画面)，结果如表2所示。

从碎片产生的初始条件可知，其速度由装药量C、装药中心到靶板上表面的距离e、靶板厚度H和混凝土板力学特性参数(抗拉强度ft、密度ρ、波速Ct)等参数决定。在不考虑空气阻力的情况下，对碎片初始速度开展量纲分析，则速度V与各参数的函数关系可表示为

表2 混凝土碎片初始速度Table 2 Initial velocity of concrete fragment

V=f(Hh,ft,ρ,Ct,C)

(2)

式(2)中：C为基本量取装药量；ρ为靶板密度；Ct为波速；V为速度，作为导出量；Hh为装药中心距靶板下表面的距离；ft为抗拉强度。得到无量纲关系式为

(3)

由于H+e=Hh，根据式(1)，式(3)可变换为

(4)

V=k1jf1(Kz)

(5)

将式(5)中待定系数k1、j合并为一个待定系数k，式(5)可以变换为

V=kf1(Kz)

(6)

根据试验数据，对式(6)进行拟合，得

(7)

由式(7)可得到混凝土碎片初始速度随震塌系数的变化曲线如图5所示，实验值与计算值的误差相对较小，表明在0.12≤Kz≤0.32内，应用式(7)预估钢筋混凝土板震塌碎片的初始速度相对可靠。

图5 碎片初始速度与震塌系数关系曲线Fig.5 Relationship between initial velocity of fragment and collapse coefficient

2.2 碎片质量特性分析

在爆炸/冲击的短历时、高应变率荷载下，震塌面首先出现多个裂纹并快速扩展，进而破碎成多个碎片，呈现动态碎裂特性。关于脆性材料动态碎裂尺度研究方面，Kipp等[12]在假设碎片的局域动能完全转化为碎片断裂能的前提下，推导出了一个简单的碎片尺寸计算公式，依据碎片尺寸及密度可计算质量，但该公式适用于均质金属材料，对于内部极不均匀的混凝土材料，难以采用严格的理论方法计算碎片尺寸及粒径大小，因此，采用试验结果统计分析的方法研究了碎片质量特征。

通过对回收的碎片统计分析发现，12例爆炸试验中未发现60 g以上碎片，产生的单个碎片质量均为60 g以下，其中30 g以下碎片主要为单粒石子，30～60 g碎片以砂石胶结体为主，如图6所示。当Kz≤0.221时，10 g以下碎片占每发试验所产生碎片总量的58%以上，50～60 g碎片只占2.09%～12.35%；当Kz≥0.238时，50 g以上碎片占比36%以上，10 g以下碎片占13.11%～25.37%，所有试验中20～50 g的碎片只占5.81%～30.78%，10～20 g碎片始终处于8.31%～22.22%，如图7所示。该统计结果表明Kz越小(药量越大)，钢筋混凝土板震塌产生的单个小质量碎片越多，尺度越小。

小质量碎片以单粒石子居多的主要原因是混凝土材料由砂、石及水泥胶结体凝固而成，在强动载作用下，将沿着水泥砂浆与石子的微界面处碎裂，如图8所示，因此水泥砂浆与石子的黏结强度能够对碎片的大小产生一定影响。

图6 试验编号2-3震塌产生的不同质量碎片Fig.6 Fragment of different mass produced by collapsing of Test No.2-3

图7 碎片质量分布与KzFig.7 Mass distribution of fragment and Kz

图8 碎片破裂界面Fig.8 Fragment fracture interface

2.3 碎片毁伤特性分析

为研究混凝土碎片对人员的毁伤能力，采用等效模拟物法开展了两发毁伤效应试验。根据文献[1]，人体胸腹部抗碎片侵彻能力同25 mm厚松木板等效，因此，试验采用25 mm厚松木板作为效应物，平面尺寸1.5 m×1.5 m，距离混凝土靶板3 m。编号4-1毁伤效应试验TNT药量及震塌系数如表1所示，高速录像判读碎片初始速度为101 m/s，式(7)计算结果为94 m/s，该速度下，大部分碎片无法侵入松木板，如图9(a)所示，松木板的毁伤主要表现为冲击伤，表面呈现较多冲击压痕，碎片云面密度较大，最密处可达0.23个/cm2，多数碎片在对松木板的撞击过程中自身出现破裂或粉碎，个别较为坚硬的单粒石子侵入松木板深度2～7 mm[图9(b)]，通过对等效模拟物的换算，该深度可以刺破人体皮肤，侵入皮下软组织17.6～61.6 mm深，可见足以伤及人体内脏并产生致命伤，因此个别速度较高单粒石子对人员的损伤不可忽视。编号4-2毁伤效应试验所产生碎片初始速度采用式(7)计算为63 m/s，该速度下，碎片对松木板的毁伤能力减弱较多，松木板表面压痕深度普遍不大于3 mm，且碎片云密度约为4-1试验的1/5，如图10(a)所示，松木板整体保持完好，未出现弯曲、折断等现象。该次试验中有一粒石子嵌入松木板约4 mm深[图10(b)]。

对编号4-1毁伤试验的高速录像分析发现，碎片束(碎片云)对目标物的持续冲击时间可达200～500 ms，使松木板产生毁伤积累，最终致使松木板贯穿、弯曲、断裂，如图11所示，可见足以贯穿人体胸腹部并致人死亡，因此，对碎片束(碎片云)的防护极为重要。

图9 试验编号4-1毁伤效应Fig.9 Ddmage effect of Test No.4-1

图10 试验编号4-2毁伤效应试验Fig.10 Damage effect of Test No.4-2

图11 起爆后不同时刻松木板毁伤状态Fig.11 Damage state of wood board at different time after initiation

3 结论

(2)有限厚度板(≤300 mm)无论出现何种破坏类型(震塌、贯穿、冲切)，产生的单个碎片质量均以60 g以下为主，其中30 g以下碎片主要为单粒石子，30～60 g碎片以砂石胶结体为主。

(3)钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的震塌，属于爆炸近区破坏效应，加载速率更高、冲击波效应更强，使得碎片尺度越小，即震塌系数Kz越小，单粒碎片尺度越小、质量越小。

(4)混凝土类单粒碎片无法对25 mm厚松木板形成有效贯穿，松木板的毁伤主要表现为冲击伤，表面呈现较多冲击压痕，由于碎片自身强度有限，部分碎片在对目标撞击过程中容易出现碎裂或者粉碎，从而导致无法继续侵入，虽然单粒碎片无法侵入松木板，但是其数量较多、单位面积上密度较大，易对人员造成大面积表皮伤。

(5)碎片束(碎片云)对目标物的持续冲击时间可达200～500 ms，可使目标产生毁伤积累，最终导致目标物严重损毁或者人员伤亡。