爆炸荷载作用下典型建筑构件破坏特征试验研究

中图分类号:TN911?34;TM417文献标识码:A文章编号:1004?373X(2016)15?0086?04

Abstract:Aimedatthedamagecharacteristicsofthetypicalmas论文网onrywallsandglassofbuildingsunderexplosionload,theexperimentforthedamagecharacteristicsisperformedunderblastload。Thereinforcementeffectofcarbonfiberonthemasonrywallswasverifiedwiththecontrasttest。Theinfluenceofdifferentfiberthicknessonantiknockperformanceofmasonrywallsisstudiedbymeansofthenumericalsimulationmethod。Whenthethicknessofthecarbonfiberisintherangeof0。1～0。5mm,thereinforcementeffectismostobvious。Theantiknockperformanceofthetemperingsandwichglassandordinarysandwichglasswastested。Theexperimentalresultsshowthattheantiknockperformanceofthetemperingsandwichglassissuperiortothatoftheordinarysandwichglass。

Keywords:masonrywall;explosionload;CFRP;antiknockperformance

0引言

近几年,恐怖事件与爆炸事故造成越来越多的伤亡和财产损失,为了减少损失,对爆炸载荷作用下砌体墙和玻璃的破坏特征研究就显得越发重要。在各种砌体墙防爆材料中,碳纤维材料(CFRP)的耐腐蚀性及耐久性都比较稳定[1?3],抗拉强度高且自重小,但目前对砌体墙碳纤维加固的研究[4?6]处还于初期阶段;风荷载及静载荷作用下抗爆玻璃结构的研究已有较多成果[7?8],但在爆炸荷载作用下玻璃的破坏特征研究还较少。

针对上述问题,进行了砌体墙和玻璃在爆炸载荷作用下的破坏特征试验研究。首先通过试验证明了碳纤维对砌体墙的加固作用,然后通过数值模拟软件AUTODYN研究了不同纤维厚度对砌体墙抗爆性能的影响,当碳纤维厚度处于0。1～0。5mm区间内加固效果最为明显。最后对钢化夹层玻璃和普通夹层玻璃的抗爆性进行了对比试验,对砌体墙和玻璃在爆炸载荷作用下的破坏特征研究具有重要意义。

1砌体墙结构爆炸试验研究

1。1试验方案

试验主体为1个二层房屋模型。3个混凝土箱(每个1600kg)和3个钢筋混凝土柱。其中砌体墙尺寸为宽3。6m,高度为2。0m,厚度为0。24m,具体结构如图1所示。

试验结构为二层双重框架房屋模型,由墙体和钢筋混凝土柱组成。测试的钢筋混凝土柱为未进行加固处理的钢筋混凝土柱C1,用碳纤维布缠绕并用碳纤维板加强的钢筋混凝土柱C2和仅用碳纤维布缠绕的钢筋混凝土柱C3;测试的墙面为未采取加固措施的墙面W1,仅粘贴碳纤维布的墙面W2,粘贴碳纤维布并使用螺栓周圈进行固定的墙面W3和粘贴碳纤维布并使用螺栓周圈及中心进行固定的墙面W4;柱顶使用混凝土箱模拟上层楼的载荷。

1。2试验结果和分析

(1)试验现象及破坏特征

前两次试验爆炸所产生的冲击波较小,基本看不出砌体墙的损坏。第三次试验爆炸后,砌体墙产生明显的损坏,从整个试验过程可以看出,碳纤维加固前后砌体墙在爆炸载荷作用下破坏特征出现明显的变化。未采取任何加固措施的墙面W1整体全部破坏。墙体碎片较多且飞溅较远;仅粘贴碳纤维布加固的墙面W2基本无墙体碎片出现且为整体脱落;加固较好的墙面W3和墙面W4都没有出现整体破坏,但其墙体的裂纹走向明显不同,这是因为两者加固的措施不同。

未采取任何加固措施的墙面W1在爆炸冲击波的作用下,只要爆炸载荷达到墙面开裂荷载,破坏首先在灰缝处产生,然后整个墙体裂缝迅速扩展,同时墙体损坏,整个过程时间很短,呈现出典型的脆性破坏特征。

经碳纤维加固较好的墙面W3和W4,其破坏特征明显好于W2。碳纤维与墙体之间的耦合效果越好,其破坏特征越不明显,仅会在砂浆处产生微小的裂缝,如墙体W3,W4在爆炸载荷作用后仍能够稳定地承载;若碳纤维与墙体的耦合效果较差,爆炸载荷达到极限荷载后,会使粘结面空鼓剥离,如墙面W2,在爆炸载荷作用下碳纤维不能与砌体墙共同承载,从而导致墙体承载能力下降,最终墙体整体破坏。

从上面的试验可以看出,碳纤维加固后不仅自身参与了墙体的承载,而且改变了砌体墙结构的受力特点,明显增强了砌体墙的抗爆性能。(2)试验结果分析

从墙体的变形试验结果可以看出,CFRP加固不但可以增强砌体墙整体的承载能力,而且明显提高了墙体的抗变形能力。采用CFRP加固砌体墙时,如仅进行粘接而未采用加固措施,则爆炸载荷达到极限荷载时,CFRP会与墙体发生空鼓剥离现象从而使砌体墙发生脆性破坏;当进行中心或边界加固时,即使爆炸载荷达到极限荷载,CFRP与墙体也只是在局部发生剥离,明显增强了砌体墙抵抗变形的能力。

从墙体的载荷响应结果可以看出,未进行任何加固的墙面W1只能承受较小的爆炸荷载,容易发生破坏;采用CFRP加固的墙面W2即使爆炸载荷达到极限荷载,也只是整体脱落而不会产生墙体碎片。所以CFRP加固对砌体墙的承载能力增强效果较为明显。

试验过程中,通过压力传感器1,2,3和4采集到的按照表1爆炸条件下的压力数据,如图3～图5所示。

从图3～图5可以看出,随着爆炸距离的减小,试验得到的压力峰值逐渐变大;试验中测得的碳纤维对砌体墙的抗爆能力有明显的提升,最高能达到4MPa。

当超压峰值不超过0。2MPa时,4个砌体墙均未损坏,由此可说明爆炸冲击波在0。2MPa以下时不会对砌体墙造成损坏。

当超压峰值处于0。2～1MPa区间内时,未进行任何加固的墙体W1最先受到破坏,破坏特征为砌体墙各砖块之间完全脱离并冲入到建筑物内,此状态必然会对建筑物内的设施和人员造成伤害。

当爆炸荷载的超压峰值达到1MPa时,墙体W2的上下端锚固处完全开裂,墙体整体脱落,这是因为墙体W2虽然进行了CFRP加固,但其边界未固定导致防护作用失效。W2墙体的各砖块间并没有被破坏,这是由于各砌块间的结合面虽然达到了强度极限发生开裂,并整体向外抛射,但防护膜阻挡并兜住了向外抛射的砌块,使其无法抛射至建筑物内部。这说明墙体的碳纤维加固可以有效地防止零散砌块的抛射,增强砌体墙的抗爆能力。

对比墙体W3和W4,当爆炸荷载的超压峰值达到2MPa和4MPa时,两者均产生轻微损坏;这是由于CFRP布的加固,使墙体内产生纵向压紧作用。墙体3和4都是由砌体与CFRP共同承载,但砌体的弹性模量远小于CFRP的弹性模量,砌体承载过程中CFRP约束了墙体的横向变形,而墙体W3和W4采用了不同的加固方式,对墙体起着不同的加固作用,使墙体W3和W4受到的三向受压状态不完全相同,从而导致墙体的承载能力有所差异,但二者均能延缓砌体裂缝的产生和扩展,增强砌体墙的承载能力。

从上述试验分析得出,砌体承受压缩载荷时,砂浆内作用双向的横向压应力,砖块内则承受双向的横向拉应力,这也是砖块在较低载荷下就产生破坏的原因之一。在使用粘贴CFRP布对砌体表面进行加固后,CFRP布的约束导致砖块自身产生了双向的横向压应力,增强了砖块的抗拉能力,从而使砌体墙的整体承载能力得到了提高。

2碳纤维厚度对砌体墙抗爆性能的影响

为了研究不同碳纤维厚度对砌体墙的加固作用,采用AUTODYN软件进行数值模拟,碳纤维厚度分别为0。1mm,0。5mm和0。9mm。试验结果如图6,图7所示。

由图6,图7中可以看出,采用CFRP对墙体进行加固后,随着CFRP厚度的加大,爆炸载荷作用下砌体墙的位移不但没有减小,反而增加,这是由于砌体墙在爆炸冲击波作用下容易产生严重的剪切破坏,出现整体大裂纹,从而失去承载能力。用于砌体墙加固的碳纤维具有良好的力学性能,其抗拉强度是普通钢材的10倍以上。但碳纤维的各向异性特征使碳纤维丝无法共同参与承载,在较低荷载工况下,应力较大的碳纤维丝最先达到其抗拉强度极限从而断裂,然后其他碳纤维丝逐渐达到自身的抗拉强度极限,直至碳纤维加固层整体破坏。

在爆炸过程中,随着碳纤维厚度的变大,碳纤维与砌体墙的空鼓剥离现象越严重,导致碳纤维无法与砌体墙共同参与承载,从而不能达到对砌体墙加固的目的,因此在使用碳纤维加固时,必须注意碳纤维厚度的影响。

使用碳纤维对墙体进行加固时,多层碳纤维会对其加固性能造成影响,为避免碳纤维脆性破坏,加固层不宜大于5层。从碳纤维受力角度看,单层加固好于多层加固,再综合墙体应力的变化可以看出,当加固碳纤维厚度处于0。1～0。5mm区间时,碳纤维能够显著增强墙体的承载能力,当碳纤维厚度在0。2mm时,墙体的承载能力最强,这与工程中墙体加固采用的碳纤维厚度一致。所以采用碳纤维对砌体墙进行加固时,综合考虑耗材及加固效果,碳纤维厚度应处于0。1～0。5mm区间内。

3不同类型玻璃抗爆性能试验研究

为研究钢化夹层玻璃和普通夹层玻璃的抗爆性能差异,试验采用的玻璃尺寸为1095mm×1395mm,玻璃性能符合GB9962国家标准,中间夹层材料为PVB板,其具体型号规格如表2所示。

两种玻璃均在TNT为10kg(爆炸距离9m),TNT为20kg(爆炸距离为11m)爆炸载荷作用下进行试验。试验结果如表3所示。

其中,普通夹层玻璃在两种爆炸载荷作用下内外层均被破坏,破坏中心成撕裂状,但在TNT质量为20kg作用下玻璃脱离窗框且产生部分碎片。

对于钢化夹层玻璃在上述爆炸载荷作用下,玻璃均未从窗框中脱离且无碎片产生。在TNT质量为20kg(爆炸距离11m)爆炸载荷作用下,普通夹层玻璃完全从窗框中脱离,而钢化夹层玻璃则未从窗框中脱离,试验结果说明6mm+6mm的钢化夹层玻璃的抗爆性能比6mm+6mm的普通夹层玻璃高;而且二者的破坏程度也不同,普通夹层玻璃出现大量的玻璃碎片,而钢化夹层玻璃的裂纹在开裂瞬间迅速扩展至整块玻璃,减少了玻璃的局部应力,使整块玻璃能够较为完整的保存,仅产生非常少的玻璃碎片。

从试验结果能够看出,超压峰值小于0。6453MPa时,普通夹层玻璃未从窗框中脱离,且仅产生少量的玻璃碎片,只会造成小范围内的伤害;当超压峰值超过0。6841MPa时,普通夹层玻璃完全从窗框中脱离,且产生大量的玻璃碎片,会造成其周边大范围的伤害;而从钢化夹层玻璃的试验结果能够看出,当超压峰值达到0。8102MPa时,钢化夹层玻璃也未从窗框中脱离,对其周围造成的伤害较小。从TNT质量为20kg的试验结果可以看出,普通夹层玻璃的抗爆能力明显低于钢化夹层玻璃;且普通夹层玻璃从窗框中脱离的超压峰阈值在0。6453～0。6841MPa区间内;而钢化夹层玻璃从窗框中脱离的超压峰阈值大于0。8102MPa,说明在建筑物抗爆设计中应选用钢化夹层玻璃以增加安全性。

4结论

针对建筑物的典型结构砌体墙和玻璃在爆炸载荷下的破坏特征问题,进行了相关的试验研究,结果表明碳纤维能显著提高砌体墙的抗爆能力,且当碳纤维厚度处于0。1～0。5mm区间范围内时,对砌体墙的加固效果最为明显,而钢化夹层玻璃的抗爆性能和超压峰阈值明显高于普通夹层玻璃,这些结论对今后建筑物的抗爆性能设计具有重要意义。

爆炸荷载作用下典型建筑构件破坏特征试验研究