[摘要] 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： Aimed at the dama
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： Aimed at the damage characteristics of the typical masonry walls and glass of buildings under explosion load， the experiment for the damage characteristics is performed under blast load. The reinforcement effect of carbon fiber on the masonry walls was verified with the contrast test. The influence of different fiber thickness on antiknock performance of masonry walls is studied by means of the numerical simulation method. When the thickness of the carbon fiber is in the range of 0.1～0.5 mm， the reinforcement effect is most obvious. The antiknock performance of the tempering sandwich glass and ordinary sandwich glass was tested. The experimental results show that the antiknock performance of the tempering sandwich glass is superior to that of the ordinary sandwich glass.
Keywords： masonry wall； explosion load； CFRP； antiknock performance
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0.1～0.5 mm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1 600 kg）和3个钢筋混凝土柱。其中砌体墙尺寸为宽3.6 m，高度为2.0 m，厚度为0.24 m，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4 MPa。
当超压峰值不超过0.2 MPa时，4个砌体墙均未损坏，由此可说明爆炸冲击波在0.2 MPa以下时不会对砌体墙造成损坏。
当超压峰值处于0.2～1 MPa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1 MPa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2 MPa和4 MPa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0.1 mm，0.5 mm和0.9 mm。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0.1～0.5 mm区间时，碳纤维能够显着增强墙体的承载能力，当碳纤维厚度在0.2 mm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0.1～0.5 mm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1 095 mm×1 395 mm，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10 kg（爆炸距离9 m），TNT为20 kg（爆炸距离为11 m）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20 kg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20 kg（爆炸距离11 m）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6 mm+6 mm的钢化夹层玻璃的抗爆性能比6 mm+6 mm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0.645 3 MPa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0.684 1 MPa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0.810 2 MPa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20 kg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0.645 3～0.684 1 MPa区间内；而钢化夹层玻璃从窗框中脱离的超压峰阈值大于0.810 2 MPa，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着提高砌体墙的抗爆能力，且当碳纤维厚度处于0.1～0.5 mm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。
