[摘要] 第一章 绪 论1 1 课题研究背景及意义近几十年来，随着世
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
近几十年来，随着世界各国生产力水平及产业结构层次的长足发展，人类社会由以农业经济为主导的乡村型社会向以工业和服务业经济为主导的现代都市型社会转变，人类社会经历了城市化的历史进程。据相关机构统计显示，在过去的几十年间，世界上超过一半的人口从乡村迁移到城市居住，世界上出现了数十座人口超过千万的特大城市，人口超过百万的城市不计其数。城市已成为人类现代生活的主要场所和方式。然而，随着城市功能的日益完善，城市中输油和燃气管道交错复杂，各种工厂星罗棋布，各种用电设施存在于城市环境中，使城市中的爆炸安全事故时有发生，造成严重的财产损失和人员伤亡。例如发生在 1992年的墨西哥瓜达拉哈拉爆炸事故，造成约 200 人死亡，1500 人受伤。1995 年发生在韩国的大邱天然气管道爆炸事故（如图 1-1 所示），造成 103 人死亡，死者中超过 60 人都是学生。2000 年荷兰发生烟花仓库爆炸事故，造成 23 人死亡，947 人受伤，爆炸破坏了位于起爆点 42 公顷区域内的居民区和 200 所住宅，并使 1500 所建筑受损，造成的经济损失超过 4.5 亿欧元（图 1-2）。2001 年法国图卢兹化工厂发生爆炸火灾，爆炸造成工厂两座厂房全部被损毁的同时，还造成位于爆炸点 40 公顷范围内的建筑物全部发生损毁或倒塌，爆炸事件共造成 25 人死亡，20 人失踪，650 人受伤（图 1-3）。2002 年尼日利亚首都拉各斯军火库发生爆炸，造成超过 2000 人死亡，现场基础设施损毁严重。2009 年俄罗斯莫斯科天然气管道发生爆炸事故，造成 5 人受伤，现场燃起高达 200 米的火焰，位于爆炸点周围的两栋房屋受损。2011 年法国一座核工厂发生爆炸，造成 1 人死亡 4 人受伤。2013 年美国德克萨斯州一家化肥工厂发生爆炸，造成爆炸点周围 10 栋建筑起火，70 多栋住宅被毁坏，35人死亡，超过 160 人受伤，距爆炸点 60 公里外的地方都可以感受到爆炸引起的震动。2014 年美国纽约居民区两栋居民楼发生爆炸事故，造成 7 人死亡，60 余人受伤，居民楼发生严重损毁和倒塌（图 1-4）。
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1.2 国内外研究现状与发展趋势
自第二次世界大战结束后，世界各国就开始着手对建筑结构在爆炸荷载下的破坏形态及响应行为进行研究。早在 20 世纪 40 年代，美国已开始对爆炸荷载的计算方法和建筑结构爆炸荷载的确定方法进行研究，40 年代末出版的陆军技术手册 TM5-855-1[3]论述了不同爆炸条件下空气中爆炸冲击波及作用在建筑结构上的荷载计算方法，并于 1965 年进行了再次修订，并且其中爆炸荷载的确定过程被编写成软件中的 CONWEP 爆炸荷载模型。在 20 世纪 50 年代，美国出版了《砌体结构在冲击荷载下的破坏》[4]一书，总结了学术界关于砌体结构在爆炸荷载下破坏形态和响应行为的研究成果。在 20 世纪 60 年代，美国麻省理工学院教授约翰比格斯在出版的《结构动力学介绍》[5]一书中，已对建筑结构在爆炸荷载下响应行为的分析方法及抗爆设计方法有了权威的论述，为后续的抗爆设计和研究提供了重要参考。在同一时期，美国开始将等效单自由度体系法用于结构在爆炸荷载下响应行为的分析。1961 年，美国土木工程师协会公布了防核武器结构设计手册 ACI 349-01[6]，论述了核武器爆炸下荷载的确定及结构设计问题。在 20 世纪 70 年代，美国不断总结当时的研究成果，对抗爆技术工程手册进行了更新和修正。例如 1974 年美国公布了在 1962 年空军部门推出的结构防护技术手册的基础上修订的美国空军防护结构设计与分析手册 AWML-TR-74102[7]，该手册系统论述了防护结构在核武器爆炸下的分析与设计方法。到了 20 世纪 80 年代，美国对建筑结构在爆炸荷载下的防护设计及加固措施方面进行了系统攻关研究，于1984 年出版草案并于 1990 年正式公布了《结构抗偶然爆炸设计指导手册》对军事和民用结构的爆炸荷载的确定及设计问题进行了系统论述。1989 年美国空军工程与安全中心颁布《防护结构设计手册》（ESL-TR-87-57[9])，对抵御常规武器的结构防护设计方法进行了论述和规定。1996 年美国土木工程师协会（ASCE）颁布了民用建筑结构抗爆设计方法。美国还对日常民用建筑结构在爆炸荷载下的破坏形态和损伤评估方法及防连续倒塌机制进行了研究，在21 世纪初出版了《联邦政府办公楼及大型建筑连续倒塌分析和设计指南》（GSA2003[10]）。2008 年美国颁布了最新版的建筑抗爆标准 UFC 3-340-02[11]。以上设计指导准则都从不同方面对建筑结构在爆炸荷载下的防护设计进行了规定。在确立作用在建筑结构上的爆炸荷载方面，我国的科研人员也做了大量的努力并取得了令人瞩目的成果。例如，师燕超[57]等学者对作用在钢筋混凝土柱上的爆炸荷载的确定以及钢筋混凝土柱在爆炸荷载下的破坏机理进行了研究，并给出了等损伤压力-冲量曲线，并研究了影响钢筋混凝土柱抗爆性能的因素，提出了钢筋混凝土柱在爆炸荷载下的破坏准则。
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第二章 爆炸荷载下结构动态响应行为分析理论
本章对爆炸现象的定义、性质和分类，爆炸波的传播特性，爆炸波与结构的相互作用过程，作用在结构上的爆炸荷载的计算方法，及远距离和近距离爆炸情况下主要结构构件的响应行为进行阐述。
2.1 爆炸荷载
爆炸是在极短时间内迅速发生反应，释放大量能量和热量，并在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化过程。由于爆炸在极短时间内释放其内部含有的巨大能量并转化为机械功、光和热等能量形态并对外界环境做功，因此爆炸一旦发生，就会产生巨大的破坏作用，造成严重的人员伤亡财产损失。爆炸具有以下特征： （1） 高反应速度性。爆炸的反应时间介于 10-5～10-6s 之间，爆炸的反应速度（用爆速来衡量）通常在 1.5 103m/s～9 103m/s 之间。由于爆炸反应速度极快，导致反应瞬间释放的能量来不及消散而高度集中，所以爆炸具有极强的破坏作用。 （2） 爆炸过程释放大量热量。爆炸过程释放的反应热一般为 2900～6300KJ/kg，可产生达 3000～4000℃的高温。 （3） 爆炸产生大量气体。1kg 炸药爆炸能产生 700～1000L 气体，在反应热的作用下，爆炸源四周的气体急剧膨胀，并且与爆炸源相接触的一层气体处于压缩状态，该层气体的密度比正常空气要大很多，称为爆炸冲击波。爆炸对周围介质的破坏就是通过爆炸冲击波实现的。强大的冲击波往往可达到十几个甚至几十个大气压强。
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2.2 远距离爆炸下建筑主要构件的动态响应行为与破坏特征
本节介绍了建筑结构主要构件（钢筋混凝土板、钢筋混凝土柱和砌体填充墙）在远距离爆炸和近距离爆炸下的动态响应行为破坏特征，并对破坏特征的成因和不同之处进行了阐述。图 2-7显示了钢筋混凝土板和钢纤维混凝土板构件在远距离爆炸下的破坏形态。从图中可以看出，钢筋混凝土板在远距离爆炸下的破坏形态为整体弯曲型破坏，板跨中处往往因为挠度过大而发生破坏，此时板跨中处的混凝土发生压碎和拉伸破坏。 在近距离爆炸下，爆炸荷载只集中于结构位于炸药周围很小的区域上，而不再像远距离爆炸那样均匀分布在结构整个迎爆面上。爆炸释放的能量会被结构吸收且以应力波的形式在结构中传播，结构的破坏特征为结构迎爆面的压缩破坏和背爆面的材料剥落破坏或结构位于炸药周围区域的贯穿破坏等局部破坏形态，这与远距离爆炸下结构的整体式破坏形态有很大不同。
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第三章 近距离爆炸下砌体填充墙局部破坏试验研究 .... 22
3.1 试验设计 ....... 26
3.2 试验结果及初步分析 ........... 26
3.3 碎片分布情况初步分析 ....... 31
3.4 本章小结 ....... 33
第四章 近距离爆炸下砌体填充墙碎片分布特性分析 .... 34
4.1 碎片尺寸分类和称重 ........... 34
4.2 不同尺寸碎片分布特性 ....... 38
4.3 不同抛射距离碎片分布特性 ....... 39
4.4 碎片的尺寸分布特性 ........... 40
4.5 本章小结 ....... 42
第五章 近距离爆炸下砌体填充墙破坏形态的数值模拟 ........ 43
5.1 有限元模型的建立 ....... 43
5.2 数值模拟结果及验证 ........... 49
5.3 本章小结 ....... 54
第五章 近距离爆炸下砌体填充墙破坏形态的数值模拟
本章基于有限元软件 LS-DYNA，采用烧结普通砖和砂浆材料模型，定义材料在爆炸荷载下的侵蚀判据，对第三章两个近距离爆炸试验中砌体填充墙的破坏形态进行数值模拟，并通过将砌体填充墙破坏区域尺寸的试验结果和数值模拟结果的比对验证了数值模拟的准确性。
5.1 有限元模型的建立
LS-DYNA 是功能强大的瞬态非线性动力有限元分析计算软件，由美国国防试验室于 20 世纪 70 年代开发，最初的开发目的是为北约国家的武器设计提供数值模拟评估。后来，LS-DYNA 开始向社会公开发行。如今，LS-DYNA 提供丰富的材料库、几何非线性、材料非线性、摩擦和接触分离等功能算法供用户选择，已可以正确模拟三维建筑结构在爆炸冲击等高应变率瞬态动力荷载下的破坏形态和响应行为，是研究砌体填充墙在爆炸荷载下破坏形态和响应行为的权威数值模拟软件。因此本文在 LS-DYNA 中分别建立空气、炸药以及砌体填充墙的数值模型，进而对近距离爆炸荷载下砌体填充墙的破坏形态和响应行为进行分析。 本文在 LS-DYNA 中建立了砌体填充墙的数值模型，为了直观地观察到砌体填充墙的损伤发展过程及烧结普通砖和砂浆界面处的破坏情况，采用砖和砂浆分离建模的方式建立模型。由于爆炸荷载属于瞬态动力荷载，因此采用包含 20 结点的Solid 186单元作为烧结普通砖和砂浆的建模单元。为了提高计算的准确性，将单元网格尺寸控制为 0.01m。为了提高计算效率，不考虑烧结普通砖与砂浆界面间的粘结滑移，将砖和砂浆界面间的重合节点耦合。为了如实模拟与场地试验完全相同的边界条件，砌体填充墙四周边界结点的所有自由度被完全约束，如图5-1 所示。 
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结论
本文对砌体填充墙在近距离爆炸下的破坏形态和响应行为进行了场地试验和数值模拟研究。通过对砌体填充墙进行近距离爆炸试验，对砌体填充墙在近距离爆炸下的破坏机理和成因进行了分析，对破坏区域尺寸进行了测量，对爆炸产生的碎片进行了收集、筛分和尺寸分类，对碎片分布特性进行了研究。同时还在瞬态动力有限元分析软件 LS-DYNA 中对近距离爆炸下砌体填充墙破坏形态进行了数值模拟。本文主要成果和结论如下：
（1） 砌体填充墙在近距离爆炸下会发生迎爆面的压缩破坏、背爆面的材料剥落破坏和贯穿破坏等局部破坏。这些破坏形态与砌体填充墙在远距离爆炸下的整体弯曲破坏或剪切破坏有很大不同，导致此情况的原因是当爆炸在距墙很近的地方时，爆炸荷载只作用于结构位于起爆点四周的区域上，而不再像远距离那样均匀分布在整体结构上，并且爆炸产生的很大一部分能量会被结构吸收且以应力波的形式在结构中传播，初始的应力波为压缩应力波，它导致结构的迎爆面发生压缩破坏；当压缩应力波传播到结构背面时会反射为拉伸应力波并使结构背面发生材料剥落破坏。因此在进行砌体填充墙在近距离爆炸下的抗爆设计和科研工作时，需要对近距离爆炸情况单独研究，现有远距离爆炸下的研究成果不能直接为近距离爆炸提供借鉴。本文获得的试验结果可为未来砌体填充墙在近距离爆炸下的抗爆设计及数值模拟结果的验证提供参考。
（2） 砌体填充墙的爆炸承载力很低，在近距离爆炸下极易发生破坏并产生碎片。尖锐碎片占碎片总质量的比重随爆炸荷载的增加而上升。这是由于当爆炸荷载较小时，材料裂缝有时间沿着材料中最薄弱的方向发展，但随着爆炸荷载的提高，材料变形的应变率加快，裂缝没有时间沿着材料的最薄弱方向发展，因此生成的碎片尺寸就更小。通过研究还发现，虽然尖锐碎片占碎片总质量的比重随爆炸荷载的提高而上升，但大块碎片仍在碎片总质量中占主要比重，超过了 50%，说明大块碎片仍在砌体填充墙在近距离爆炸下产生碎片中占主要比重；尖锐碎片在占碎片总抛射区间长度 2/3 的距墙较远区间内占主要比重，大块碎片在占碎片总抛射区间长度 1/3 的距墙较近区间内占主要比重，说明尖锐碎片具有较高的抛射速度，在对砌体填充墙进行近距离爆炸下的抗爆设计时要考虑尖锐碎片的影响；砌体填充墙在近距离爆炸下尖锐碎片的累计尺寸质量比重分布可以用 Weibull 分布来描述。本试验研究成果可为未来砌体填充墙在近距离爆炸下的抗爆设计及砌体填充墙破坏过程及碎片生成的数值模拟方法的验证提供参考。
（3）在瞬态动力有限元软件 LS-DYNA 中利用砌体材料模型和软件的材料侵蚀功能，对砌体填充墙在近距离爆炸下的破坏形态进行了数值模拟。通过破坏区域尺寸的数值模拟结果与场地试验结果的对比验证了数值模拟的准确性。本数值模拟结果可为未来砌体填充墙在近距离爆炸下损伤评估工具的发展提供参考.
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参考文献（略）
