阿 帅 磊

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京　210001)



开口对内爆炸荷载分布的影响研究

阿 帅 磊

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京210001)

摘要：采用LS-ANSYS程序，对不同长宽高比的矩形房间内爆炸进行数值模拟分析，对比了不同矩形房间内爆炸下房间内部超压曲线，从开口面积、位置、形状、房间尺寸四方面，研究了开口对内爆炸下房间内荷载的影响作用，得出了一些有价值的结论。

关键词：内爆炸，荷载，房间，开口位置

0引言

随着当代国际形势的变化以及精确制导武器、便携式炸药的发展，建筑内爆炸事件时有发生。由于内爆炸对建筑内部巨大的破坏力，战争中对重要军事设施的打击、恐怖活动等都越来越多的侧重于建筑内爆炸。伊拉克战争、英阿马岛战争中多次使用精确制导导弹直接侵入对方重要目标内爆炸，对目标造成致命的打击；我国南联盟大使馆也曾遭导弹直接侵入主体建筑内部。由于民族宗教信仰的差异，恐怖活动成为当今世界和平的一大障碍，恐怖活动多发生在传统战乱、冲突的地区，袭击目标多为地铁、大型商场、居民地以及具有政治性质的建筑，如9·11事件、莫斯科地铁爆炸事件等。随着公共场所管控力度的加大，恐怖分子正将目标转向居民地、学校等人口密集的场所，居民住房、工作场所、教室等场所内爆炸问题的研究越来越迫切。

为研究内爆炸下结构内部荷载分布和破坏形态，国内外学者进行了大量的分析研究[1-7]。美国水道实验站编写的TM-851认为开口影响内爆炸荷载的因素主要是开口总面积与结构总面积的比值。二十世纪七八十年代Baker总结了当前的研究成果，总结出开口面积对内爆炸的泄爆影响。国内，姚元文对全密闭、半密闭空间内爆炸做了数值模拟计算，对大小比例距离处的正反射冲击波超压做了对比，并对开口的泄爆作用做了研究。邬玉斌对地下建筑和隧道内爆炸做了数值模拟计算，分析得出了内爆炸反射峰值超压和冲量的分布规律和衰减规律。Edri等对含有开口的方形密闭结构内爆炸做了实验，通过实验得出炸药内爆炸的超压分布规律，实验结果与UFC规范吻合较好。Tian等对立方形密闭空间内爆炸进行数值模拟，通过对数值模拟超压分布规律的数据库的分析确立了通过插值算法计算内爆炸超压的方法，并用实例验证了此方法的可行性。黄雪峰等在对舰艇组合舱室内爆炸毁伤效应研究时,分析了舱室结构破坏的先后顺序，研究说明破口的扩张与延伸对整个结构的破坏作用。吴彦捷通过数值模拟研究了单层柱壳结构开洞对泄爆的影响，考虑泄爆效果与结构整体强度的情况下提出泄爆口位置、数量相关的泄爆措施。孙坤林等对有无填充墙的框架结构内爆炸做了实验和数值模拟计算，通过两种结构内冲击波超压的对比分析了填充墙对框架结构内爆炸荷载的加强效果。从上述研究成果可以看出，开口对房间内爆炸荷载分布影响的研究不够充分，只是针对具体工程，不具有普适性。针对此问题，开口对内爆炸的血爆炸影响还需进一步研究。

以TNT炸药在普通住房内爆炸为研究背景，对房间内不同大小、形状、位置的开口对内爆炸荷载的影响进行数值模拟分析。出于对内爆炸荷载分布规律的考虑，本文选取典型参考点进行对比，通过对比得出开口这一因素对内爆炸荷载的影响。

1有限元模型

1.1炸药、房间尺寸选取

为了做有效的对比，本文房间尺寸选取3.6 m×3.6 m×3.6 m，3.6 m×3.6 m×5.4 m，3.6 m×3.6 m×7.2 m，3.6 m×3.6 m×10.8 m，3.6 m×5.4 m×7.2 m；开口尺寸定位50 cm×50 cm，100 cm×100 cm，150 cm×150 cm，200 cm×200 cm，250 cm×250 cm，300 cm×300 cm，360 cm×360 cm(研究开口大小的影响)。为了研究开口形状和位置对内爆炸的影响，对面积为2 250 cm2的开口进行长宽比和所处位置的改变。根据人所能携带的炸药量，本文选取24 cm×24 cm×24 cm的立方体TNT炸药，炸药位于房间中心。

1.2材料模型

本文模拟过程不考虑结构形变或破坏，故可将墙体当作刚体。模型中墙体定义为反射边界，开口定义为无反射边界。空气采用Mat-Null材料模型和Linear-Polynomial状态方程：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E。

炸药为TNT烈性炸药，炸药采用High-Explosive-Burn材料模型(密度为1 293 kg/m3，初始速度为6.93 km/s，CJ压力为0.27)和JWL状态方程：

其中，A，B，R1，R2，ω均为参数，A=3.74，B=0.032 3，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3；E0，V0分别为初始内能和初始相对体积，E0=0.07，V0=1。

2不同大小开口对内爆炸荷载的影响

以边长为3.6 m的正方体房间内爆炸为研究对象，开口位置设在面中心，为减少计算量，考虑对称性取1/4模型进行计算。分别对A点～F点(如图1所示)超压荷载随时间的变化规律进行跟踪分析，得到同一位置不同开口处的P—T曲线(如图2所示)。

图1中A点～C点为接近开口处点的超压曲线，从图中可以看出，开口对于附近的点影响较大，开口越大超压峰值就越小，开口的大小影响第一个峰值的大小，不会影响超压到达时间，对后续峰值的到达时间和峰值都会有影响，这是由于开口的泄压作用使房间内压力降低，速度也随之减小。A点位于房间墙面中心，第一个超压峰值与开口无关，但随后的峰值相差较大，由于A点位于开口处，没有反射超压，随后的超压是房间内超压不断反射引起的，由于房间内反射的无规律性导致A点后续压力的杂乱性，但开口对于A点的后续波到达时间具有决定性；B，C两点分别为房间梁柱的中点和角点，对比B，C点360 cm开口的超压荷载与其他尺寸开口的超压荷载可以看出：房间整个面的缺失使这个面峰值压力减小很大，约为小开口的1/4～1/3，与300 cm的大开口相比也相当于其1/3，后续波也趋近于0，可见整个面开洞的泄爆作用最好，此结论与孙坤林等对填充墙的影响研究结论相似；为验证开口尺寸对C点的精确影响，对开口边长为60 cm，80 cm，90 cm的模型进行模拟分析，经对比发现：C点60 cm～300 cm开口的首个峰值压力基本相同。可推断出：当开口面积大于墙面面积的1/6时房间角点处最大超压峰值基本相同。

对比D，E，F三点的超压荷载发现：开口对远离开口面上的超压值影响不大，D，E，F点前两个峰值超压相同，开口影响的是第三个峰值以及准静态压力的大小。开口越大，第三个峰值超压到达的时间越迟，峰值压力也越小。

通过对比不同大小开口的房间内爆炸超压荷载可以看出，开口尺寸对靠近开口处影响较大，直接影响峰值压力的大小。随着开口的增大，峰值减小的幅度降低，但当整个面开通后，峰值压力骤降，越靠近角点处，骤降的幅度越大，原因是角点处大超压是多个面反射超压汇聚引起的，整个面的缺失导致超压汇聚效果下降。远离开口面的各点受开口影响较小，后续波形的差异主要是不同开口的泄爆使房间内总能量降低程度不同，导致第三个峰值和准静态压力的差异。

3不同位置开口对内爆炸荷载的影响分析

内爆炸超压分布的极度不均匀导致不同位置开口的泄爆作用也不同。为研究开口位置对内爆炸荷载的影响，对房间不同位置开口(开口尺寸选取150 cm×150 cm)，开口中心位置见图3,对图3所示的角点处超压荷载进行对比(见图4)。

图中可以看出，A点受开口位置的影响最大，C，D点受开口位置的影响较小。通过A，B两点的曲线可以看出：由于角点处汇聚超压的泄露，在一定距离内角点的超压峰值随开口距离的减小而减小；对于对称的房间内，开口一侧冲击波能量的泄露不会造成另一侧超压峰值的减小，但对超压的衰减速度和后续的超压波动影响，开口离角点越远，第二个超压峰值就越大。由于位置1，2使区域3，4含有开口，故C，D点曲线中位置1，2的峰值较其他位置的峰值小。

当开口不在墙面中心时，E，G两点的峰值超压较墙面中心开口时小，其中E点减小了45%以上，G点也减小30%以上，但其他四个位置上的开口，E，G两点超压峰值相差并不大。F，H点在位置2开口时的超压峰值较其他位置开口小了约40%，其他角点大致相同。从中可以看出：当开口位于位置1和位置2时，开口相对面上角点的后续波动较其他位置小；当开口位于位置2时，开口相对面上峰值超压较位置1时小。因此可以得出结论：开口位置设在位置2时对开口相对面上的超压有减小作用。

通过对不同位置开口的房间内荷载分布的分析可以得到：

1)对称结构中，只要对称面一侧的区域无开口，此区域处超压峰值就不受开口的影响；存在开口的区域，角点峰值超压随开口距离的减小而减小。

2)开口位置不在面中心点时，与开口相对面上角点超压峰值明显减小，减小的幅度与开口的具体位置关系不大。

3)当开口位置在偏于墙面中心却不与边接触时，离开口较远处角点超压峰值明显减小。不同位置开口下超压—时间曲线如图5所示。

4结语

从开口大小、形状、位置3个方面对开口的影响作用进行了数值模拟分析。经过分析可以得到：

1)当开口面积大于墙面面积的1/6时，开口附近角点处最大峰值超压基本相同，受开口面积的影响很小，但整面墙的缺失对缺口附近超压的降低程度最大。

2)对于形状对称的房间，对称面一侧的开口对另一侧区域的超压峰值无影响。长宽相同的面上，离开口的距离越近，角点处的超压峰值越小。

3)形状的改变只对开口附近的点荷载影响较大，其他位置无变化。

参考文献:

[1]邬玉斌.地下结构偶然性内爆炸效应研究.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所工学博士学位论文，2011.

[2]姚元文.结构泄压爆炸的冲击波特性研究.重庆：重庆大学硕士学位论文，2011.

[3]Edri Z S, Feldgun V R,Karinski Y S,et al.On blast pressure analysis due to a partially confined explosion: Ⅰ. experimental studies. International Journal of Protective Structure,2011,

文章编号：1009-6825(2016)14-0020-03

收稿日期：2016-03-03

作者简介：阿帅磊(1990- )，男，在读硕士

中图分类号：TU312

文献标识码：A