高强钢筋加强混凝土板抗爆性能试验研究

2015-12-30陈万祥,卢红标,候小伟等

振动与冲击 2015年10期

第一作者陈万祥男，博士后，副教授，1977年生

高强钢筋加强混凝土板抗爆性能试验研究

陈万祥1,2，卢红标1，候小伟1，周布奎3(1. 解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京210007；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116； 3.总参工程兵第四设计研究院，北京100850)

摘要：对4组8块钢筋混凝土板进行抗爆性能试验，研究钢筋类型、配筋率、爆炸荷载峰值等因素对破坏形态、跨中位移、加速度及钢筋应变影响。结果表明，用导爆索代替炸药可获得典型的爆炸冲击波荷载，并能施加预定的均布荷载作用。与普通钢筋混凝土板相比，高强钢筋混凝土板裂缝宽度减小、分布均匀，具有良好的抗爆性能。提高配筋率可明显减小高强钢筋混凝土板位移，配筋率为0.78%时较0.62%时位移减小64.02%；配筋率大于0.62%时加速度时程曲线较一致，高强钢筋混凝土板整体刚度较好；随配筋率增大，钢筋应变峰值、残余应变均明显减小。爆炸荷载峰值对高强钢筋混凝土板的动态响应有显著影响，当荷载峰值由0.0318 MPa增大到0.0945 MPa时，位移峰值、残余位移分别增大3.63倍、4.80倍，加速度峰值增大近3倍。

关键词：爆炸荷载；高强钢筋；钢筋混凝土板；试验研究；动力响应

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51378498)；江苏省自然科学基金面上项目(BK20141066)；中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金(SKLGDUEK1208)；国家创新研究群体科学基金项目(51321064)

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-04-24

中图分类号:TU311；TU312文献标志码：A

Tests for anti-blast performance of concrete slabs with high-strength reinforcements under blast loading

CHENWan-xiang1,2,LUHong-biao1,HOUXiao-wei1,ZHOUBu-kui3(1. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China； 2. State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China；3. Beijing Canbao Architectural Design Institute, Beijing 100850, China)

Abstract:The blast-resistant capacities of 8 concrete slabs with high-strength reinforcements divided into 4 groups under blast loading were studied with tests. The effects of reinforcement types, reinforcement ratios, and peak values of blast loading etc on their failure configurations, span center’s displacement and acceleration, and strains of reinforcements were investigated. The test results showed that the typical blast loading can be derived by substituting detonating cords for explosive charges, and the predetermined uniform blast loading can be applied on the slabs; compared with common reinforced concrete slabs, the crack widths of the concrete slabs with high-strength reinforcements decrease and become uniform, they have good blast-resistant capacities; the displacements of concrete slabs with high-strength reinforcements can be reduced greatly by increasing reinforcement ratios, the displacements with reinforcement ratio of 0.78% decrease by 64.02% compared with those using reinforcement ratio of 0.62%; the time-history curves of accelerations are consistent each other when reinforcement ratios are greater than 0.62%; there are good global rigidities for concrete slabs with high-strength reinforcements; both peak values of strains and residual strains of high-strength reinforcements decrease with increase in reinforcement ratios; the peak values of blast loading have obvious influences on the dynamic responses of concrete slabs with high-strength reinforcements; the peak values of displacements and the residual displacements incrase by 3.63 times and 4.80 times, respectively when the peak values of blast loading increase from 0.0318MPa to 0.0945MPa, and the peak values of accelerations increase by nearly 3 times.

Key words:blast loading; high-strength reinforcement; reinforced concrete (RC) slab; experimental study; dynamic response

由于各种爆炸事件频发，工程结构的抗冲击/爆炸性能颇受关注[1-4]。为提高结构抗冲击爆炸能力，已开发研究出各种新材料，如钢纤维混凝土及粘贴碳纤维布、粘贴钢板混凝土结构等[5]。高强钢筋(Higher High Tensile，HHT)作为新型钢筋，具有抗拉强度高、可塑性强等优点，既能减少钢筋消耗量、节省资源，亦能提高结构的安全储备，在防护工程中具有广阔的应用前景。

混凝土板受爆炸荷载作用响应及局部破坏效应为研究混凝土结构抗冲击爆炸设计基础[6-8]。由于钢筋混凝土材料的不均匀性及在强动载作用下的高度非线性，使其求解非常复杂。理论研究、数值仿真的可信度有赖于假设条件及本构模型的合理性，因此试验研究仍为获得结构响应及破坏特征参数的重要手段。Pedro等[9-13]通过对普通钢筋混凝土板进行抗爆试验研究，分析混凝土构件动态响应规律及破坏形态。孙文彬等[14-15]试验研究普通钢筋混凝土板的抗爆动力响应及破坏特征。王德荣等[16-17]则对钢纤维增强钢筋混凝土板受化爆作用的动态响应及震塌特征进行试验研究。周布奎等[18-19]分别对GFRP加固钢筋混凝土板、高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土板的抗爆性能试验研究。均为混凝土构件抗爆性能的理论分析、数值仿真提供了直接的试验数据。

本文利用解放军理工大学大型高抗力爆坑，分别对普通钢筋(HRB400)加强混凝土板及高强钢筋(HHT600)加强混凝土板的动态响应进行试验研究。

1试验概况

1.1试验设计

制作8块钢筋混凝土板(普通钢筋混凝土板、高强钢筋混凝土板各4块)，截面尺寸为边长L=2 700 mm，厚h=100 mm，保护层厚15 mm；混凝土强度等级C40；四边简支。配筋及拟加荷载见表1，钢筋、混凝土力学性能见表2、表3。

表1　配筋形式及拟加荷载

表2　钢筋材料性能

表3　混凝土材料性能

1.2测试方案

采用导爆索(主要成分为黑索金)进行非接触爆炸加载。拟加荷载峰值分别为0.03 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa，对应导爆索理论长度分别为6 m、7 m、14 m。量测仪表包括数据采集器(Dp939N)、电阻应变片(BX120-5AA)、压力传感器(CA-YD-205)、位移传感器(BWG2-100)、加速度传感器(CA-YD-107)。爆坑及测试方案见图1。

图1　试验装置 Fig.1 Test set-up

图2　压力测点布置 Fig.2 Measurement plan of pressure

为获得自由空气冲击波压力时程曲线，在板边布置4个压力传感器，见图2。图3为钢筋混凝土板位移、加速度及钢筋应变测点布置，其中Di为位移测点；Ai为加速度测点；Si为钢筋应变测点。为防止传感器损坏，位移、加速度及应变均布置多各测点，重点考察板中心的动态响应。不同长度导爆索采用“之”字形均匀置于试验板上方100 mm处，进行电雷管中点起爆(图1(a))。

图3　位移、加速度及应变测点布置 Fig.3 Measurement plan of displacement, acceleration and strain

1.3空气冲击波压力

用导爆索爆炸模拟均布冲击波荷载，据表1拟加荷载截取不同长度导爆索，通过空压传感器量测板边自由空气冲击波压力。不同长度导爆索爆炸峰值压力见表4。由表4知，随导爆索长度减小，压力峰值迅速下降。同一爆炸各测点压力峰值相差不大，接近均布冲击波荷载。

表4　爆炸荷载峰值压力

图4　压力时程曲线 Fig.4 Time-history curves of pressure

具有代表性的P1测点在不同爆炸下的自由空气冲击波时程曲线见图4。由图4看出，导爆索长度6 m、7 m、14 m、18 m对应的压力峰值分别为0.025 9 MPa、

0.031 8 MPa、0.073 9 MPa、0.094 5 MPa。压力时程曲线由正、负压段组成，作用时间均在0.65 ms左右，且正压峰值越大对应的负压峰值越大。压力峰值随时间迅速衰减，且衰减规律基本相同，说明用导爆索代替炸药可获得典型爆炸冲击波荷载。

2试验结果与分析

不同爆炸荷载作用下8块钢筋混凝土板背爆面破坏见图5。由图5看出，爆炸荷载峰值、配筋率及钢筋布置方式相同时，两种钢筋混凝土板背爆面均出现不同程度裂缝，主裂缝沿板对角线方向伸展，板中央出现矩形破坏区，呈典型的双向受弯破坏特征。普通钢筋混凝土板的裂缝比高强钢筋混凝土板宽，裂缝分布不均匀。由图5(a)～(d)知，爆炸荷载峰值接近情况下，钢筋间距对裂缝开展、分布影响明显：钢筋间距较大时，背爆面主裂缝较宽，裂缝间距较大，破坏较严重，呈脆性破坏特征，表明混凝土达到极限抗拉强度后开裂，弯曲应力迅速由受拉钢筋承担。由图5(e)～(h)知，钢筋直径对板的破坏形态影响明显：爆炸荷载峰值相同时，钢筋直径越粗背爆面裂缝分布越均匀，裂缝宽度越小。此外，由图5(c)、(g)知，钢筋间距接近情况下，尽管施加在HS08-1上的爆炸荷载峰值达到HS02-1的2倍多，但HS08-1背爆面的裂缝宽度较HS02-1小得多，分布较均匀，表现出良好的抗爆性能。随爆炸荷载峰值增大，钢筋混凝土板迎爆面均逐步出现椭圆形塌陷区域，背爆面中央外鼓，表明该板的破坏模式为由弯曲破坏转为剪切破坏趋势。与文献[4，15]结果一致。此因随爆炸峰值压力增大，结构中高频荷载分量增

图5　试件破坏情况 Fig.5 Failure models of reinforced concrete slabs after test

加，剪应力迅速增大到破坏应力而弯曲变形尚未来得及发展导致结构剪切破坏[20]。而高强钢筋混凝土板塌陷区不及普通钢筋混凝土板明显，说明高强度钢筋可承受更大爆炸剪切荷载作用，可在一定程度上改善构件的剪切破坏。爆炸荷载增大时板背爆面混凝土有崩落倾向，此因爆炸压缩波到达板下表面时会形成反射拉伸波，且反方向传播，与入射波相互叠加形成复合波。反射拉伸波峰值超过压缩波并大于混凝土动态极限抗拉强度时，混凝土即发生断裂，导致背爆面混凝土崩落，发生震塌破坏。

3主要影响因素分析

研究表明，爆炸荷载特征与结构材料性能对钢筋混凝土构件的动态响应有重要影响。

3.1钢筋类型对抗爆性能影响

为研究钢筋类型对钢筋混凝土板抗爆性能影响，将试验板分为HS01、HS02、HS06、HS08等4组，每组包括HRB400、HHT600各1块；同组钢筋布置方式、配筋率及拟加荷载较接近。跨中附近位移、钢筋应变时程曲线对比见图6～图8。由于HS01组位移超出理论预估值，仪表损坏未采集到数据。

图6　跨中位移时程曲线 Fig.6 Time-history curves of span displacements

图7　加速度时程曲线 Fig.7 Time-history curves of accelerations

图8　钢筋应变时程曲线 Fig.8 Time-history curves of reinforcement strains

防护结构抗爆能力鉴定方法有两种，即变形状态及承载能力。由于构件承载能力难以确定，试验中可将变形状态作为衡量指标。由图6看出，钢筋混凝土板受爆炸作用位移迅速增到最大值后激烈振荡并逐渐减小，此因爆炸荷载达到峰值后迅速衰减引起的结构振动。导爆索较短时，在爆炸正压作用过后，钢筋混凝土板的振动较快消失，并出现残余位移；导爆索较长时，钢筋混凝土板的位移在恢复过程中出现一次较强烈振荡，此因冲击波负压引起的反跳现象，对某些防护结构(尤其柔性结构)应引起足够重视。图6(b)中HS06-2导爆索实际长度18 m，而HS06-1的导爆索长度为14 m(表4)，故配有高强钢筋板的峰值位移大于普通钢筋；由于爆炸荷载峰值较大，HS08-1变形严重，D1仪表失效，图6(c)中HS08-1的位移采用D2数据，而HS08-2的位移为D1数据，导致HS08-2位移大于HS08-1。另外，HS08-2在爆炸前进行2 m长导爆索的预加载，一定程度上影响HS08-2的跨中位移。由图7可知，4组钢筋混凝土板的跨中加速度时程曲线较相似，但加速度峰值有差别，爆炸荷载越大加速度峰值越大。当导爆索长度为6 m时，两种钢筋混凝土板的加速度时程曲线较一致，加速度峰值均在34.29 m/s2左右；当导爆索长度为14 m时，加速度峰值差别较大，高强钢筋混凝土板加速度峰值达341.40 m/s2，较普通钢筋混凝土板高出39.91%。可见，高强钢筋混凝土板在爆炸荷载作用过程中裂缝细而密，能保持较好刚度，因而可承受较大振动荷载，而普通钢筋混凝土板由于裂缝较宽，振动中耗能较多，刚度降低明显，传递振动能力减弱。由图8可见，4组钢筋混凝土板的钢筋应变峰值及残余应变均有明显差别。总之，高强钢筋残余应变小于普通钢筋，即高强钢筋的弹性恢复能力较强。

3.2配筋率对抗爆性能影响

混凝土属于脆性材料，其抗拉强度一般为抗压强度的1/8～1/20，一旦开裂荷载将由受拉钢筋承担，故配筋率对钢筋混凝土构件的动力响应特征及破坏模式有重要影响。HS01-2与HS02-2、HS06-2与HS08-2在不同爆炸作用下的跨中位移、加速度及钢筋应变时程曲线对比见图9～图11。由图9看出，爆炸荷载峰值相同时，配筋率为0.62%的HS06-2与配筋率为0.78%的HS08-2位移时程曲线形状相似，但峰值及残余相差较大。HS06-2位移峰值及残余位移较HS08-2分别高出64.02%、173.69%，说明高强钢筋配筋率对位移影响显著。由图10可见，HS06-2与HS08-2的加速度峰值及加速度波形较一致，而HS01-2与HS02-2的加速度峰值差别明显。HS01-2的加速度峰值34.29 m/s2仅为HS02-2的27.47%，说明高强钢筋配筋率较高(≥0.62%)时，裂缝数量少、宽度变小，

图9 跨中位移时程曲线Fig.9Time-historycurvesofspandisplacements图10 加速度时程曲线Fig.10Time-historycurvesofaccelerations

图11　钢筋应变时程曲线 Fig.11 Time-history curves of reinforcement strains

钢筋混凝土板刚度保持较好，因而加速度峰值差别不大；而配筋率较小(≤0.22%)时，钢筋混凝土板在爆炸荷载作用下出现不同程度裂缝，其数量、宽度对板的振动能量有重要影响，因而量测的加速度峰值差别较大。由图11可知，HS02-2、HS08-2的钢筋应变峰值分别达到-4 772.77 με、-12 288.90 με，而HS01-2、HS06-2的钢筋应变峰值分别只有-221.25 με、-6 993.42 με，最大相差21倍。由于本试验荷载条件下，高强钢筋的抗拉性能均未充分发挥，因而在爆炸荷载作用后钢筋残余应变不大，表现出较好的弹性性能。

3.3爆炸荷载对抗爆性能影响

为研究爆炸荷载峰值对主要动态参数影响，选钢筋间距、钢筋数量相同的HS02-2与HS06-2跨中位移、加速度及钢筋应变时程曲线对比分析，见图12～图14。导爆索长度分别为7 m、18 m。由图12看出，两块钢筋混凝土板跨中位移时程曲线相差较大，HS06-2位移峰值、残余位移分别达115.38 mm、69.71 mm，为HS02-2的3.63倍、4.80倍。冲击波正压作用后HS06-2出现较明显的振荡过程，而HS02-2此过程较平稳，原因为爆炸荷载峰值较大时对应的负压峰值较大(达-0.02 MPa，约为正压峰值的21%)，导致钢筋混凝土板明显反跳现象。由图13可见，HS06-2加速度峰值达341.44 m/s2，而HS02-2加速度峰值仅124.81 m/s2，相差近3倍。由图14看出，爆炸荷载峰值越大，钢筋混凝土板所受动弯矩作用越大，因而相应的钢筋应变值越大。爆炸荷载峰值为0.031 8 MPa时，钢筋残余应变只有69.33 με，而爆炸荷载峰值增到0.094 5 MPa时，钢筋残余应变高达3592.61με，差值达到51.81倍。另外，HS02-2钢筋在恢复变形中有一缓慢振荡阶段，弹性性能保持较好，而HS06-2此过程较陡峭，此因爆炸荷载峰值越大，比冲量迅速增加，正压作用时间随之减少(图4)，加之荷载高频分量影响，钢筋易屈服，导致结构发生剪切破坏迹象(图5)。

图12 跨中位移时程曲线Fig.12Time-historycurvesofspandisplacements图13 加速度时程曲线Fig.13Time-historycurvesofaccelerations图14 钢筋应变时程曲线Fig.14Time-historycurvesofreinforcementstrains

4结论

通过4组8块钢筋混凝土板的抗爆性能试验，分析钢筋类型、配筋率、爆炸荷载峰值等因素对破坏形态、跨中位移、加速度及钢筋应变等主要参数影响，结论如下：

(1)利用现有试验装置，采用长度4～18 m的导爆索可获得峰值压力0.022～0.099 MPa典型的爆炸冲击波荷载。

(2)8块钢筋混凝土板背爆面均出现不同程度的裂缝，主裂缝沿板对角线方向伸展，板中央出现矩形破坏区，呈现典型的双向受弯破坏特征。爆炸荷载峰值较大时，钢筋混凝土板出现椭圆形塌陷现象，破坏模式由弯曲破坏转为剪切破坏趋势。

(3)高强钢筋配筋率较大时，钢筋混凝土板刚度较好，加速度峰值时程曲线较一致；配筋率较小时，加速度峰值明显小于高配筋率。钢筋间距及数量相同时，高强钢筋混凝土板跨中位移、加速度及钢筋应变峰值均随爆炸荷载峰值增大增加明显。

(4)高强钢筋混凝土板较普通钢筋混凝土板抗爆性能更好，在防护工程中应用前景广阔。

参考文献

[1]Jarrett D E. Derivation ofbritish explosion safety distances[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 1968,152(1):18-35.

[2]Baker W E, Cox P A, Westine P S, et al. Explosion hazards and evaluation[M]. Amsterdam, New York Elsevier Scientific Publication,1983.

[3]Mays G, Smith P D. Blast effects on building design of buildings to optimize resistance to blast loading[M]. London Thomas Telford Ltd,1995.

[4]李忠献,师燕超,史祥生．爆炸荷载作用下钢筋混凝土板破坏评定方法[J]．建筑结构学报,2009,30(6)：60-66.

LI Zhong-xian, SHI Yan-chao, SHI Xiang-sheng. Damage analysis and assessment of RC slabs under blast load[J]. Journal of Building Structures, 2009,30(6): 60-66.

[5]陈万祥,严少华．CFRP 加固钢筋混凝土梁抗爆性能试验研究[J]．土木工程学报,2010,43(5):1-12.

CHEN Wan-xiang, YAN Shao-hua. Experimental study of RC beams strengthened with CFRP under blast loading[J]. China Civil Engineering Journal, 2010,43(5): 1-12.

[6]Lok T S, Pei J S,Heng L. Steel fiber reinforced concrete panels subjected to blast loading[C].//Proceedings of the 18 International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structure, Mclean, Virginia, 1997:701-711.

[7]郑全平,周早生,钱七虎,等．防护结构中的震塌问题[J]．岩石力学与工程学报,2003,22(8):1393-1398.

ZHENG Quan-ping, ZHOU Zao-sheng, QIAN Qi-hu, et al. Spallation in protective structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(8):1393-1398.

[8]董新龙,洪志权,高培正,等．混凝土及钢纤维混凝土板爆炸破坏研究[J]．兵工学报,2009,30(S2):380-383.

DONG Xin-long, HONG Zhi-quan, GAO Pei-zheng, et al. Study on collapse of common and steel fiber reinforced concrete slabs subjected to contact detonation [J]. Acta Armamentarii, 2009,30(S2):380-383.

[9]Pedro F, Silva P E,Lu B G. Blast resistance capacity of reinforced concrete slabs[J].Journal of Structural Engineering, 2009,135(6):708-716.

[10]WuC Q, Nurwidayati R, Oehlers D O. Fragmentation from spallation of RC slabs due to airblast loads [J].International Journal of Impact Engineering, 2009, 36: 1371-1376.

[11]Schenker A, Anteby I, Gal E, et al. Full-scale field tests of concrete slabs subjected to blast loads[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35:184-198.

[12]Yuen S C K, Nurick G N. Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.part I:subjected to uniform blast load[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31: 55-83.

[13]Langdon G S, Yuen S C K, Nurick G N. Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.part II:localized blast loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005, 31: 85-111.

[14]孙文彬．钢筋混凝土板的爆炸荷载试验研究[J]．辽宁工程技术大学学报,2009,28(2):217-220.

SUN Wen-bin. Experimental studies on reinforced concrete slabs under blast loading[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science), 2009, 28(2):217-220.

[15]张想柏,杨秀敏,陈肇元,等．接触爆炸钢筋混凝土板的震塌效应[J]．清华大学学报(自然科学版),2006，46(6)：756-768.

ZHANG Xiang-bo, YANG Xiu-min, CHEN Zhao-yuan, et al. Expolsion spalling of reinforced concrete slabs with contact detonations[J]. Journal of Tsinghua University (Natural Science), 2006,46(6):765-768.

[16]王德荣,戴明,李杰,等．钢纤维超高强活性粉末混凝土(RPC)遮弹板接触爆炸破坏作用[J]．爆炸与冲击，2008,27(1):67-74.

WANG De-rong, DAI Ming, LI Jie, et al. Failure effect of steel-fiber reactive power concrete (RPC) shelter plate under contact explosion[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,27(1):67-74.

[17]李晓军,郑全平,杨益．钢纤维钢筋混凝土板爆炸局部破坏效应[J]．爆炸与冲击,2009,29(4):385-389.

LI Xiao-jun, ZHENG Quan-ping, YANG Yi. Local damage effects of steel fiber reinforced concrete plates subjected to contact explosion[J]. Explosion and Shock Waves,2009,29(4):385-389.

[18]周布奎,王安宝,杨秀敏,等．GFRP加固RC双向板抗爆性能试验研究[J]．爆炸与冲击,2006，26(3)：234-238.

ZHOU Bu-kui, WANG An-bao, YANG Xiu-min, et al. Chemical explosion resistance performance of two-way RC slab reinforced with GFRP ribbon externally[J]. Explosion and Shock Waves, ,2006,26(3):234-238.

[19]杜修力,廖维张．高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土板的抗爆性能数值分析[J]．防灾减灾工程学报,2010,30(6):595-600.

DU Xiu-li, LIAO Wei-zhang. Study on blast resistant performance of reinforced concrete plate strengthed with high-strength steel wire mash and polymer mortar under blast loading[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2010,30(6):595-600.

[20]方秦,吴平安．爆炸荷载作用下影响RC梁破坏模式的主要因素分析[J]．计算力学学报,2003,20(1):39-42.

FANG Qin，WU Ping-an. Main factors affecting failure modes of blast loaded RC beams[J]. Chinese Journal of Computational M echanics,2003,20(1):39-42. D E. Derivation ofbritish explosion safety distances[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 1968,152(1):18-35.