强冲击荷载作用下钢结构建筑毁伤后果研究.pdf

为研究现行典型钢结构建筑受强冲击荷载下毁伤情况和毁伤机理，开展了典型装配式钢结构工业厂房原型试验，并对强冲击荷载作用下试验厂房毁伤模式进行了模拟分析。研究表明：现行建筑标准下装配式钢结构工业厂房整体抗强冲击荷载能力较弱，墙面钢板在强冲击荷载作用时发生持续振动导致钢板连接处发生撕裂，振动频率与冲击荷载值成正相关关系。研究成果可为钢结构建筑抗强冲击荷载防护设计及加固提供参考关键词装配式钢结构，强冲击荷载，破坏模式，加固方法Damage Effect of Steel Structure Building Under StrongImpact LoadGAO YonghongWANG ZicongZHANG Wei?XIN KailWANG WeilDUAN Yapengl-212,*2(1.Institue of Defense Engineering,AMS,PLA,Luoyang 471023,China;2.Civil Engineering School,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)Abstract In order to study the damage of typical steel structures under strong impact load,the damagemechanism of typical steel structures under strong impact load is studied.The prototype test of a typicalprefabricated steel structure industrial workshop was carried out,and the damage mode of the workshop understrong impact load was simulated and analyzed.The results show that:under the current building standard,the strength of prefabricated steel structure industrial workshop is weak,and the continuous vibration of thesteel wall plate under the action of strong impact load leads to the tear of the steel plate connection,and thevibration frequency is positively correlated with the impact load value.The research results can provide areference for the design and reinforcement of steel structure building against strong impact load.Keywordsprefabricated steel structure,strong impact load,failure mode,strengthening methods0引言随着装配式钢结构建筑发展逐渐完善，装配式钢结构建筑广泛运用于军民经济各领域中，虽然在装配式钢结构安全做了大量工作，但在强冲击荷载条件下结构安全还研究的不多。近年来，随着国民经济的发展，我国的经济结构不断优化，建筑土木行业也逐步走向产业化方向。吕春岐分析了装配式钢结构建筑的应用与发展，认为在此背景下装配式钢结构建筑将会因为自重轻、建造工期短、节能环保和抗震性能强等优点而得到广泛的推广，有着广阔的发展前景。但在施工过程和使用过程中存在着很多问题 2 ,例如现阶段我国对装配式钢结构建筑体系抗强冲击荷载认识不足、考虑抗冲击荷载结构防护不全面、对受冲击收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 2基金项目：装备军内科研（JK20202A040019）作者简介：高永红（19 7 5-），男，博士，研究员，研究方向为工程防护技术。E-mail：10 9 7 42 38 6 7 q q.c o m。*联系作者：王子聪（19 9 7-），男，硕士，主要研究方向为结构工程。E-mail：16 0 2 2 7 8 7 2 0 q q.c o m。142Experiment StudyStructural EngineersVol.39,No.3荷载时建筑结构毁伤后果不了解以及钢材本身的缺陷还未克服等。近些年来我国出现多起工厂爆炸事故，同时也不能忽略因恐怖袭击、战争而产生的爆炸对建筑的毁伤后果，装配式钢结构工业厂房作为现阶段普遍应用的钢结构建筑，研究爆炸对其的毁伤后果及防护方式就显得尤为重要。杨科之等 3 研究了空气冲击波的传播方式，总结了其衰减规律，爆炸产生的冲击波在自由大气中传播,其扩散方式为球形向四周传播，若是自由场中爆炸，则单位球面上冲击波能量密度随球半径的增大，其能量迅速衰减，故对远区目标的毁伤后果较小。但实际生活中,爆炸普遍发生在地面上，此时将地面考虑为一个刚性体，爆炸产生的冲击波由于发生多次反射，形成冲击波的叠加、追赶现象，冲击波的强度及复杂程度得到加强。同时，冲击波在封闭环境中传播呈复杂冲击波特性 4,研究钢结构建筑内部冲击波对建筑的损伤后果也具有重要意义。为研究强荷载作用下钢结构建筑的毁伤情况，本文进行了初步研究。1爆炸毁伤基本理论不同当量装药爆炸产生的冲击波在传播过程中受不同现场条件的影响，其传播方式不同，对建筑的毁伤后果存在显著差异。1.1自由场爆炸装药爆炸的瞬间会释放出大量能量，在周围产生高温、高压，压迫周围的空气，使空气迅速向四周扩散,形成冲击波。在自由场中,冲击波一般以球形传播方式向四周扩散，空气冲击波强度随爆心距观测点距离的增加而快速衰减 5-9 1.2近地爆炸当装药在地面上发生爆炸时，一般将地面看作一整块刚性体，此时爆炸产生的冲击波在接触刚性体地面后，传播方式近似为半球状向四周扩散，此时考虑近地爆炸产生的冲击波威力较自由场中得到增强 10-13 近地爆炸产生的爆炸冲击波受到现场多种环境因素的影响，例如现场土质的软硬程度，土质越坚硬,其能够吸收的冲击波越少,地面能够反射的冲击波越多，当地面为理想刚性体时冲击波将会发生全反射，当反射波追上人射波后将会出现马赫反射，从而冲击波的威力得到增强。1.3爆炸冲击波峰值预测爆炸产生冲击波对建筑物、设施设备及人员危害较大，还可能带起周围碎石等杂物，对其造成二次伤害。冲击波超压峰值的计算公式为31.533VPVPQ=1.44+0.42103(1)式中：Q为入射冲击波超压峰值(kPa);P为TNT当量（kg）;r 为爆炸中心与测量点距离（m）。通过计算可以得到炸药在空气中爆炸爆心距测量点不同距离下产生的人射波超压峰值，以此来预测不同TNT药量产生的冲击波超压峰值，根据普通厂房抗水平风载设计标准，与不同药量产生冲击波超压峰值进行对比，拟选取三种药量进行模拟及后续试验。分别计算得出了装药量为100kg、2 0 0 k g、50 0 k g 时不同距离下产生的人射波超压峰值，如图1所示。计算得出爆心10 0 m处，10 0 kgTNT产生冲击波约为4.34kPa，接近厂房抗风载设计临界值，拟选为模拟、现场原型试验参考值。3530100kg200kg25500kg201510505060708090100测点距爆心距离/m图1人射冲击波超压峰值Fig.1Peak overpressure of incident shock wave经过实地勘察，发现选取的试验现场泥土大多为一般松散土，局部地表分布有岩石，根据试验需求选择不同爆心距时要综合考滤地表环境对爆炸冲击波产生的影响，尽可能减小试验误差，同时在现场试验前进行有限元模拟分析，为现场试验提供理论依据及指导。143结构工程师第39 卷第3期试验研究2有限元仿真分析2.1有限元模型ANSYS/LS-DYNA是目前较为常用的爆炸模拟显示动力分析软件，冲击波传播规律复杂，利用LS-DYNA能够较好地模拟模型动态响应过程模型选取厂房局部墙面，来模拟厂房墙面彩钢板在受爆炸冲击荷载作用的破坏效应，结构整体有限元模型如图2 所示图2有限元模型Fig.2Finite element model进行10 0 kgTNT、50 0 k g T NT 两种工况模拟研究，模型定义墙面条为固定刚性体，厚度为75mm，正方体TNT炸药量为10 0 kg，条、炸药、螺栓、空气域模型均采用solid164单元建模，彩钢板模型为宽150 0 mm、厚0.47 6 mm900型彩钢板采用solid163壳单元建模。空气域的6 个表面边界均设置为无反射，以此来真实模拟无限流域。整体模型网格划分如图3所示。条刚性体、钢板模型用螺栓连接，构件与构件之间采用Asts处理。炸药模型关键字采用*MAT_HIGHEXPLOSIVE_BURN，其多项式方程采用*EOS_JWL，表达式如下：EP=Ae-RV+B(2)BR,VeR.VV式中：、A、B、RI、R,均为实验确定的炸药材料参数，其值分别为0.35、3.7 38 10、3.7 510 4.15、0.95；P表示炸药爆轰压力；E表示单位体积内能，图3结构网格划分Fig.3Structural grid division取值7 10%；V为相对体积。空气模型采用无黏性理想气体，其材料模型关键字为*MAT_NULL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，状态方程表示为：P=CO+Ciu+Cu?+Csu+(C4+Csu+Cou?)Ei(3)=(1/V,)-1(4)式中：P为模型气体压强；C。-C为空气模型材料状态参数,其取值分别为C。=C,=C=C,=C。=0,C4=Cs=0.4;E,为气体内能，取0.2 5J/mm;V为相对体积。钢板模型采用关键字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，其材料参数如表1所示。表1钢材材料参数Table1Steel material parameters密度/弹性模剪切模参数泊松比(kgm)量/Pa量/Pa取值78502.06x101l0.789101l0.3模型中空气与炸药采用ALE算法，其优点是ALE算法中的网格是可以随意流动的，避免了模型在严重扭曲的网格中进行计算。钢板采用Lagrange算法进行计算。从有限元分析图4中可看出彩钢板在10 0 kgTNT下产生的冲击波破坏下产生了轻微变形。在50 0 kgTNT下产生的冲击波使墙面彩钢板发生了较大变形，并出现彩钢板撕裂等破坏现象，彩钢板主要破坏部位在钢板与条螺栓连接处，此部位发生了撕裂，导致在实际试验当中会发生墙面彩钢板脱落，如图5所示144Experiment StudyStructural EngineersVol.39,No.3图410 5kg破坏模型图Fig.4 Damage diagram under 105 kg TNT(a)螺栓部位破坏前(b)螺栓部位破坏后图5螺栓部位破坏视图Fig.5Failure of bolt position2.2爆心距离对结构的影响采用有限元分析方法，分别模拟10 0 kgTNT爆心50 m、6 0 m、7 0 m、8 0 m、9 0 m、10 0 m 时距钢板模型的毁伤后果，如表2 所示表2不同距离模拟结果Table2Simulation results under different distances距离/m5060708090100药量/kg100空压/kPa13.039.707.596.155.124.34毁伤后果破坏无破坏由模拟分析可知，钢板所能承受的最大冲击荷载为10 0 kgTNT距钢板7 0 m爆炸产生的强冲击荷载，钢板中心处变形最大。随爆心距离减小，钢板没有表现出整体破碎的现象，破坏部位仍是钢板与螺栓连接处发生撕裂，在实际工程中应考虑在螺栓连接处增加防护措施3试验概况3.1模型建立根据现有典型钢结构建筑，设计单层单跨轻型钢结构工业厂房，如图6 所示。其主要试验目的为研究构件的结构强度,故其他功能做了删减。厂房为单层建筑，建筑总高7.7 5m，建筑结构形式为门式钢架结构，抗震设防烈度为7 度，该工程为破坏性试验临时设施，不考虑防火设计。外墙采用9 0 0 型彩钢板，风荷载取值0.4kN/m，板厚0.476mm。屋面采用单坡单脊无组织排水，采用0.6mm厚8 2 0 型彩钢板。承重结构（柱、梁）及连接板采用的钢材材质为Q355B，其余焊接构件为Q235B，非焊接构件均为Q235，螺栓选用10.9 级高强度螺栓。模型选取厂房一侧起爆，来模拟现有典型钢结构工业厂房受强冲击荷载作用的破坏后果。3.2测点方案根据实际建筑高度及有限元分析结果，考虑到厂房底部与顶部所受强冲击荷载不同，确定位移传感器、加速度传感器、空气压力传感器布置位置。在迎爆面同一列第1、2、4、6 根条上焊接铁片，用来固定空气压力传感器，并在对应的面板上打孔，测量迎爆面空气压力。在迎爆面中心两侧布置两组位移传感器，每组分别测量面板位移与条结构骨架位移。在迎爆面中心两侧布置两组加速度传感器，每组分别测量面板加速度与条骨架加速度。加速度传感器与位移传感器左右对称布置。在厂房两侧面第2 根条上焊接铁片，用来固定空气压力传感器，测量厂房侧爆面空气压力。在厂房背面第2 根条上焊接铁片，用来固定两个空气压力传感器，一个测量背爆面空气压力，一个测量厂房内部空气压力。空气压力传感器编号为K1K16，加速度传感器编号为J1J4，两个试145结构工程师第39 卷第3期试验研究7.7503.2000.000(a)正立面700009t09609t10.00009t10009.000B(b)侧立面(c)厂房模型图6 单层单跨厂房Fig.6Single-storey single-span workshop验厂房传感器位置分布相同。位移传感器编号为W1一12 试件测点共32个，空气压力传感器16 个，加速度传感器4个，位移传感器12 个。迎爆面传感器布设图如图7所示。3.3荷载工况装配式钢结构工业厂房在受强冲击荷载时，主要承受单侧水平方向荷载，可能包含碎石等物体冲击。因原型厂房结构为破坏性试验，具有造价高且不可重复利用的特点，所以必须严格控制试验药量，当量过大会导致厂房出现整体塌、破坏，无法评估毁伤后果；当量过小会导致厂房整体结构欠载，由规范可知，设计标准屋面钢板最大荷载约为5.5kPa。根据试验现场，选取平整坚硬土质平台作为起爆点，试验采用不同药量相同距离LK412.W3W4K3W1W2K2K1(a)迎爆面口k5(6)口(b)侧面W5内K7外K8W6(c)背面图7传感器布置图Fig.7Sensorlayout爆炸进行模拟试验，爆心距厂房10 0 m，工况1采用10 0 kgTNT，工况2 采用2 0 0 kgTNT，工况3采用50 0 kgTNT，分别模拟相同距离不同爆炸强度下，典型装配式钢结构工业厂房毁伤后果，试验工况见表3，强冲击荷载毁伤模型试验布置如图8所示。表3试验工况Table3Testcases工况123TNT当量/kg100200500爆距/m1001001004试验结果及分析4.1模型破坏过程试验开始前，进行起爆前准备工作，将触发线146ExperimentStudyStructural EngineersVol.39,No.3墙体炸药刚架柱图8 爆炸毁伤模型试验布置图Fig.8Layout of explosion damage model test连在仪器上，检查触发线畅通，确保爆炸信号能够接收到。将空气压力传感器、位移传感器、加速度传感器与采集仪器连线，并连接电脑进行最后调试，平衡清零完毕。准备就绪后，待到达安全引爆位置后，引爆装药。工况1引爆完毕后读取试验数据并保存。原型厂房在10 0 kgTNT爆炸产生强冲击荷载作用下，毁伤后果如图9 所示图9工况1试验厂房毁伤后果Fig.9Damage of test workshop in test case 1从现场试验试验结果可以看出，厂房墙面彩钢板结构未发生明显破坏，墙面略有凹陷，主要骨架钢柱、梁、条等无明显破坏。所测得的空气压力峰值为3.0 1kPa，墙面彩钢板最大位移可达55.124mm,迎爆面条最大位移可达6.416 mm。工况2 引爆完毕后，原型厂房在2 0 0 kgTNT爆炸产生强冲击荷载作用下，试验厂房迎爆面彩钢板凹陷程度更大。部分墙面彩钢板略有松动，测得爆炸产生的空气压力峰值为7.39 kPa，墙面彩钢板最大位移可达9 6.9 2 3mm，迎爆面条最大位移可达2 1.19 mm。工况3引爆完毕后试验厂房在50 0 kgTNT爆炸产生强冲击荷载下迎爆面破坏严重，大部分彩钢板被破坏，迎爆面彩钢板与自攻丝连接处发生彩钢板撕裂或自攻丝脱落，从而导致墙面彩钢板脱落，大部分传感器受到严重破坏。迎爆面条均受到不同程度的轻微破坏，每跨跨中位置发生弯曲变形，上部结构条破坏程度明显大于下部结构。背爆面墙面彩钢板破坏主要集中在结构上部，部分彩钢板连接部位发生撕裂导致脱落，背爆面条结构未发现明显破坏。试验厂房两侧结构未发现明显破坏。钢筋混凝土基础及厂房与基础连接部位锚杆未发现明显破坏。厂房迎爆面空气压力最大可达17.57 kPa，迎爆面彩钢板最大位移可达10 3.9 7 mm，迎爆面擦条最大位移可达74.762mm，工况3毁伤后果如图10、图11所示。图10工况3试验厂房毁伤Fig.10Damage of test workshop in test case 3图11彩钢板破坏Fig.11Damage of color steel plate4.2试验结果分析观察有限元模拟结果与三种工况试验数据、毁伤后果，表明在不同工况下，钢结构工业厂房受强冲击荷载时，由于墙面彩钢板过薄，所受到强冲击荷载时无法将大量力传递到厂房骨架上。同时在冲击荷载下彩钢板有不同程度的震动，彩钢板破坏规律大致相同，均是自上而下破坏，上部彩钢板在强烈震动下与自攻丝连接处发生墙板撕裂或自攻丝在彩钢板震动下从標条脱落，导致上部彩钢板先脱落，从而导致中部自攻丝所受荷载增加，逐级破坏，最后导致整体破坏，整块彩钢板脱落三种工况均对试验厂房产生了不同程度的破坏，工况1与工况2 破坏程度大致相同，工况3对试验147结构工程师第39 卷第3期试验研究厂房破坏程度较大，说明在现行标准下生产建造的普通厂房大致能够抵御2 0 0 kgTNT距厂房1 0 0m产生的强冲击荷载，即最大能抵抗7.39 kPa的冲击波，而无法抵御5 0 0 kgTNT距厂房1 0 0 m产生最大1 7.5 7 kPa的强冲击荷载。试验厂房受强冲击荷载，工况1、2 均未能对厂房内钢柱、钢梁、条造成明显破坏，进一步说明了在现行标准下生产建造的普通厂房大致能够抵御2 0 0 kgTNT距厂房1 0 0 m产生的强冲击荷载。在遭受最大1 7.5 7kPa的强冲击荷载作用后，迎爆面条跨中部位均有不同程度的弯曲，上部较下部变形更大，破坏更严重。背爆面与侧面无明显破坏。经试验检验，厂房在遭受强冲击荷载导致墙面彩钢版整块脱落后，厂房整体主要骨架结构性能未被影响，无结构整体倒塌风险，对现有厂房工程具有借鉴意义，对于一定强度内的强冲击荷载，在设计时只考虑加强墙面板即可。后续拟将墙面板修复后进行同样当量TNT近爆试验，进一步进行研究厂房加固技术研究。建筑结构连续倒塌工程指导手册FEMA427对建筑物外侧爆炸的荷载进行了分析和描述，认为爆炸冲击波对于建筑结构的作用可分3个过程：对迎向爆炸冲击波的结构外墙、柱及窗户发生向上的推力，窗户上的玻璃可能变成碎片，柱也可能被破坏；对楼板及梁等构件产生向上的推力，楼板可能破坏；结构处于爆炸冲击波的包围之中，屋顶有向下的压力，整个建筑物四周构件受到向内的压力作用，当底层柱破坏严重时结构可能局部或整体倒塌通过试验可以发现，试验厂房四周墙面彩钢板均发生不同程度向内凹陷的现象，与指导手册所述内容基本一致。在实际工程中，若厂房需要考虑防爆，如何避免迎爆面与背爆面墙面彩钢板板剧烈震动产生破坏导致脱落，是以后需要开展研究的主要内容，同时还要适当加强厂房迎爆面上部条跨中强度，避免因条发生较大弯曲导致的整体性破坏。根据计算数据（表4)与现场试验数据对比，发现计算数据普遍小于实际试验数据，这是因为公式(1)适用环境为在空气中地面无反射或反射影响较低的情况下，在试验中地面产生的反射波增强了原冲击波。对比发现爆炸当量越小误差越小，在实际防爆工程中可作为参考。根据有限元模拟结果与试验结果对比，迎爆面彩钢板位移与加速度与试验模型变化规律相似，该模型可用于后续不同工况厂房抗强冲击荷载研究表4空气压力对比Table 4Comparisonof airpressure装药量100 kg TNT200 kgTNT500 kg TNT距离/m100100100计算空压/kPa4.346.2310.11试验空压/kPa3.017.3917.574.3墙面板冲击波毁伤标准强冲击荷载对厂房建筑的毁伤程度取决于爆心距目标距离、起爆物体等量的炸药量、起爆高度以及现场地质、气象条件等因素，同时，强冲击荷载中的超压峰值、爆炸产生的冲量及动压，也会影响其对建筑的毁伤后果。当爆距小于装药半径时,爆轰产物与爆炸冲击波未分离,此时考虑为冲击波与爆轰产物联合作用，反之考虑为建筑目标主要承受冲击波作用，这里主要讨论冲击波对建筑目标的毁伤标准。爆炸冲击波由于传播复杂，受炸药材料、现场环境影响，对建筑目标的破坏机理较复杂，故毁伤后果不易确定。文献1 4 给出了爆炸冲击波对地面电子对抗装备的毁伤标准，其中讨论比较了超压-比冲量联合标准与超压毁伤标准，得出采用两种方法来评价冲击波对目标的毁伤威力差异不大，故这里采用更加简便的超压毁伤标准。我国工程设计规范中采用了萨道夫斯基公式来计算TNT球形装药在无限的空气介质中爆炸所产生的正压区超压峰值p：p=0.082+0.265(5)0.686100015(6)式中：r为爆炸中心与测量点距离（m);为TNT当量(kg)。如图1 2 所示，式（1）、式（2)在爆距较小时误差较大，约为1 1%，随爆距加大误差逐渐减小。在工程运用中可用超压毁伤标准：ApC(7)148Structural EngineersVol.39,No.3Experiment Study式中：C为试验常数，Ap用式(5)计算。当式(7)成立时表示目标被毁伤180160式(1)140式(2)12010080604020020406080100起爆心距离/m图1 2超压峰值对比Fig.12Comparison of overpressure peaks通过钢结构工业厂房原型试验结果，可将试验常数C取值为7.39 kPa，当计算正压区超压峰值大于C时，表示厂房墙面彩钢板被损坏，使厂房内部骨架裸露。后续试验将采用加强型墙面板，研究厂房骨架破坏形式，总结骨架受冲击波毁伤标准。5结 论（1）现行典型装配式钢结构工业厂房在正常使用情况下，能抵抗7.39 kPa强冲击荷载，此时迎爆面彩钢板发生凹陷，部分墙面板松动，钢柱、梁、条等无明显变形（2）普通钢结构工业厂房在正常使用时，若遭受强冲击荷载，其墙面彩钢板会发生剧烈震动，当强冲击荷载大于7.39 kPa时，墙面彩钢板与螺栓连接处会发生撕裂，破坏将会从厂房上部开始，引起连锁反应，最终导致整条彩钢板脱落。（3）迎爆面上部条跨中部位在受强冲击荷载时较中、下部易发生变形破坏，在实际工程中可考虑对其进行加固。（4）装配式工业厂房在遭受强冲击荷载时，迎爆面与背爆面彩钢板易发生破坏，厂房两侧无明显破坏，在实际中可重点加固迎爆面与背爆面。（5）根据钢结构工业厂房墙面板易损性，建立了适用于工业厂房墙面彩钢板的冲击波毁伤标准，研究结果可为钢结构工业厂房毁伤评估奠定基础，同时为墙面彩钢板加固技术提供科学依据。参考文献【1 吕春岐.浅谈装配式钢结构建筑的应用与发展J.材料分析,2 0 2 1(2 1):2 1-2 3.Li Chunqi.Discussion on the application anddevelopment of prefabricated steel structure buildingJ.Material Analysis,2021(21):21-23.(in Chinese)【2 郝际平，孙晓岭，薛强.绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用J.工程力学,2 0 1 7,34(1)：1-1 3.Hao Jiping,Sun Xiaoling,Xue Qiang.Research andapplication of prefabricated steel structure buildingsystems J.Engineering Mechanics,2017,34(1):1-13.(in Chinese)3杨科之，刘盛.空气冲击波传播和衰减研究进展J.防护工程，2 0 2 0,42(3)：1-1 0.Yang Kezhi,Liu Sheng.Progress of research onpropagation and attenuation of air blast J.ProtectionEngineering,2020,42(3):1-10.(in 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