内爆作用下门式轻钢库房梁柱的超压分布特征分析

何小涌，孙 涛，孟 妍，田镇华

(陆军勤务学院，重庆 401311)

0 前 言

门式刚架轻型房屋钢结构具有结构体系受力简单、传力路径明确、构件加工快捷、施工周期短、结构布置灵活、经济效应明显等特点，被广泛应用于厂房、超市、展览馆、库房等工业与民用建筑[1]。内爆压力由于受到结构内部空间的影响，冲击波存在反射与汇聚效应，因此与外爆冲击波的特性存在着较大的差异。目前已有诸多学者[2-5]对箱室、舱室、工房、管廊等研究了内爆的冲击波特性、结构失效模式及损伤变形，结果都表明分析对象的几何形状特征对冲击波的传播特性、结构失效模式及损伤程度存在较大的影响。门式刚架轻型房屋钢结构相对于其他类型的结构具有自己的几何形状特征，研究内爆冲击波的传播特性及分布规律对结构抗爆设计与评估具有重要的现实意义。本文以某12 m跨门式刚架结构为例分析特定爆炸位置下梁柱关键构件的超压分布特征。

1 数值模型

1.1 结构简介

某12 m跨门式刚架结构尺寸参数为跨度12 m，檐口高度5.4 m，柱距6 m。该结构的屋面荷载设计值为0.75 kN/m2，基本风压为0.5 kN/m2，梁柱为高频焊接H型钢截面，尺寸为LH200×150×4.5×6，其平面与山墙布置分别如图1～2所示[6]。图1中，当结构长度不超过45 m时只需要在两端开间设置横向水平支撑，当结构长度大于45 m时需要在中部开间增设横向水平支撑。

图1 平面布置示意图(单位：mm)

图2 山墙面布置示意图(单位：mm)

1.2 爆源与超压监测点设置

图3给出了爆源与超压监测点的设置，为模拟固定位置堆放的易爆物爆炸后门式轻钢库房梁柱关键构件的超压分布规律，在固定炸药当量为6.33 kg TNT的前提下，距左柱3 m，高度1.5 m处设置炸药埋设点D1。采用LS-DYNA分析埋设点D1爆炸后在梁柱构件边缘产生的超压分布规律，在梁柱关键构件的边缘各设置4个超压监测点以研究超压时程曲线的变化规律。

图3 爆源与监测点分布

1.3 材料模型

分析模型包括炸药、空气两种材料介质，门式刚架的梁柱边缘则考虑为刚性界面。空气材料选用理想气体模型，其模型参数与状态方程参数分别见表1～2[7]。炸药选择TNT高爆炸药模型，采用JWL状态方程来描述，该方程给出了爆炸产物化学能所产生压力的数学表达式：

(1)

式中，E0为单位体积炸药的内能；V为相对体积；A、B、R1、R2、ω为炸药的特性参数，TNT炸药的特性参数见表3[7]。

表1 *MAT_NULL模型参数

表2 *EOS_IDEAL_GAS状态方程参数

表3 TNT炸药特性参数

1.4 简化处理

采用数值分析爆炸冲击波产生的超压分布规律需要划分较细的网格，而门式刚架库房结构在空间上具有较大的长度与宽度，如要模拟真实三维结构的超压分布则计算量会超过普通计算机甚至工作站的极限。本研究的实际模型是沿着门式刚架长度堆满易爆物，但是易爆物在宽度与高度方向的位置不同，考虑到长度一般远大于宽度和高度，且主要研究梁柱关键构件的超压分布，因此可以简化为二维模型，如图4所示。

图4 模型的简化示意

2 结果与分析

2.1 左立柱超压特征

图5给出了左柱测点G1至G4的超压时程曲线。位于柱脚处的监测点G1的超压时程曲线具有多次超压峰值，但第一次超压峰值远大于之后的超压峰值，该时刻(0.837 ms)的超压云图如图6所示，第一次超压峰值是地面与立柱反射的冲击波沿着柱脚方向传播并相遇产生汇聚导致的结果。测点G2与G3在立柱的三分点处，且超压时程曲线较为相似，具有多个超压峰值。测点G4位于梁柱交接处，尽管该处到爆源D1的距离与G2、G3到爆源D1的距离相比更远，但是从曲线可以发现测点G4的超压峰值比测点G2、G3的超压峰值大很多。图7给出了测点G4出现第一次超压峰值时刻(1.292 ms)的超压云图，可以发现梁柱交接处的超压峰值是由梁柱反射的冲击波向节点处传播并相遇产生汇聚导致的结果，与测点G1第一超压峰值的形成机理相似。

此外，测点G2至G4的超压时程曲线都有多个超压峰值且逐渐衰减，但前2次或前3次的超压峰值具有同样的数量级，能否忽略第二次及以后的超压峰值对结构的影响还有待进一步研究，尤其是如果第一次超压峰值已经导致构件的弯曲或剪切损伤后，后继超压峰值能够继续对构件造成损伤具有较大的概率。

图5 测点G1至G4的超压时程曲线

图6 测点G1第一次超压峰值时刻的超压云图

图7 测点G4第一次超压峰值时刻的超压云图

2.2 左屋梁超压特征

图8给出了左屋梁各测点的超压时程曲线。测点G5至G7的超压曲线都表现相似的规律，都具有多次超压峰值且峰值逐渐衰减，但是前2次甚至是前3次的峰值差距不大，因此对构件可能造成累积的损伤。从图8中还可发现，虽然测点G4至G7到爆源的距离相差不大，但是G5至G7的超压峰值与G4的超压峰值相差较大，主要原因在于G5至G7处虽然有冲击波的反射，但没有G4的条件使得反射后的冲击波再次进行汇聚。

图8 测点G4至G7的超压时程曲线

2.3 右屋梁超压特征

图9给出了右侧屋梁各测点的超压时程曲线。测点G7至G10所表现出的规律与测点G4至G7所表现出的规律相似，各测点都具有多个超压峰值且逐渐减小，但是前3次或前4次的超压峰值在同一个数量级。如果第一次超压峰值能够对构件造成较大的影响，那么后继超压峰值对构件的影响将不能忽略，尤其是测点G10所表现出的前2次超压几乎相近的情况。此外，从图9可以发现测点G10的前2次超压峰值远大于测点G7至G9的超压峰值，尽管测点G10离爆源最远，但经过梁柱反射后的冲击波向角部传递时还会产生汇聚,该时刻(2.542 ms)超压云图如图10所示。

图9 测点G7至G10的超压时程曲线

图10 测点G10第一次超压峰值时刻的超压云图

2.4 右立柱超压特征

图11给出了右立柱各测点的超压时程曲线。测点G10至G13的超压曲线所表现出的规律与测点G7至G10的超压规律较为相似，具有多个超压峰值且总体趋势上峰值逐渐减小。图11中测点G12的曲线较为特殊，第2次超压峰值居然略大于第1次超压峰值，应该值得后续的深入研究。图12给出了测点G13第1次超压峰值时刻(2.318 ms)的超压云图，可以看出由于地面与立柱形成了直角的几何特征，冲击波在此处反射与汇聚形成了第1次超压峰值且为最大的超压峰值。

图11 测点G10至G13的超压时程曲线

图12 测点G13第一次超压峰值时刻的超压云图

2.5 梁柱全长超压峰值比较

从测点G1至G13的超压时程曲线可以发现梁柱不同部位的超压峰值各不相同，主要原因有以下两点：①各测点到爆源的距离不同；②不同位置会存在着冲击波的发射与汇聚，几何形状将会对超压峰值产生较大的影响。然而，以上研究规律若要应用到工程设计中还有待简化，目前的工程防爆设计采用统一的超压施加在构件上使得设计过于简化且不能反映出结构的形状特征对超压峰值的影响。

沿着构件长度绘制出最大超压峰值可以反映结构的大小与形状特征的影响，对于工程设计的简化及改进将具有参考价值。通过加密超压监测点并提取各点的最大超压峰值，采用样条曲线连接各加密监测点的超压峰值可以得到图13所示的壁面超压分布模型且可以发现以下规律。

1)在门刚结构柱脚、柱顶等角点位置处，由于冲击波的反射与汇聚，超压峰值比构件中部大很多，在设计或预防时值得注意。

2)沿构件长度存在小区段的超压峰值急速增长或衰减，大部分区段的超压峰值相差并不大。为简化工程设计，可将构件的超压峰值沿长度划分区段，将超压峰值变化取为线性变化或水平不变，这样可以避免结构内力分析时各点超压不同带来的繁琐的荷载输入。

3)图13仅为固定爆点D1爆炸后所得到的超压峰值壁面分布模型，改变爆点位置将会得到不同的分布模型，壁面超压分布模型更适合评估特定堆放的易爆物爆炸对结构的影响。由此得到不同爆点位置对结构的影响规律不仅有利于指导如何合理地堆放易爆物，还可在已有堆放方式的情况下采取合理措施防止爆炸产生较大的危害作用。

图13 壁面超压分布模型(P0=1.0GPa)

3 结 论

为模拟固定位置堆放的易爆物在意外爆炸后冲击波对门式轻钢库房的影响，以某12 m跨门式刚架结构为例，分析了爆点D1爆炸后冲击波在梁柱关键构件上的超压分布规律，主要结论如下。

1)在沿库房长度规律堆放的易爆物的情况下，计算模型可简化为平面爆炸模型，能大幅缩小计算资源的需求。

2)由于门刚结构特殊的几何特征，冲击波会在柱脚区段及柱顶区段等角部位置反射与汇聚，超压峰值相比梁柱构件中部区段有较大的提升，在工程设计或采取预防措施时值得关注。

3)如需进一步分析结构构件在超压下的响应，可先绘制壁面超压分布模型，依据分布规律将超压分区段简化为线性增强或衰减段以及水平不变段。

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