點陣夾芯結構拱形防護門抗爆性能研究

王夢瑩,張君博,梁海志,張紀剛

(青島理工大學 土木工程學院,青島 266525)

早期研究的防護門主要有鋼筋混凝土防護門[1]和鋼結構防護門[2],具有制作方便、性價比高的優點,但是為了滿足技術指標的要求,存在門體質量重、結構形式和材料比較單一等不足,導致在使用過程中開啟和維護不易、搶修搶建困難等一系列問題。隨著對高抗力、大跨度防護門的需求,門體結構形式的改變是提高防護門抗力的一種有效方法,目前采用較多的結構形式主要包括鋼包鋼管混凝土[3]、鋼包混凝土[4]、梁板式[5]等,但這些方法還是存在著質量過重的問題,綜合應用新技術、新材料、新設備成果,目前研究防護門已由最初關注抗力的提高轉變到對結構進行輕量化設計[6]。

防護門在滿足規范指標的要求下要實現結構的輕量化,單一改變材料類型難以達到設計要求。 EVANS 等提出了點陣夾芯結構的概念[7-8],隨著研究的深入,新型三明治夾芯結構“點陣結構”具有獨有的結構特征和力學特性,例如高比強度、高比剛度等優良性能,還具有吸能、隔熱、降噪、制動、吸聲及電磁屏蔽等多功能性,可在保證強度的前提下彌補早期防護門質量重的短板。陳東等[9]總結了點陣夾芯結構性能,進一步明確了其良好的動態性能、吸能特點和防護性高的優點。依據點陣構型分類,點陣夾芯結構可分為二維格柵結構和三維點陣結構。目前研究的三維點陣夾芯結構主要有金字塔、四面體和3D-Kagome點陣夾芯結構等幾種構型,而以往的研究發現金字塔型與其他點陣結構相比,具備更好的力學性能[10-12]。

為了解決傳統防護密閉門存在的技術難題,基于平板門易于制造和便于與門框等土建接口配合安裝的優勢,同時利用拱形門同等條件下抗力更高的優點[13-14],本文提出了采用金字塔型點陣夾芯的新型點陣拱形防護門,并詳細介紹了該防護門結構形式,采用有限元模擬驗證了爆炸沖擊波荷載下該點陣結構拱形防護門的優異性能,同時對該新型防護門的設計參數進行優化分析,以指導點陣夾芯結構拱形防護門結構的優化設計。

1 點陣夾芯拱形防護門幾何構造

圖1 GHFM1220鋼結構活門檻防護密閉門

人防工程中常規的鋼結構活門檻防護密閉門一般采用梁板式結構,本文選取由中國人民解放軍總參工程兵第四設計研究院研制的GHFM1220防護門作為參照對象,以下簡稱GHFM1220防護門,其中,G是指鋼結構,H是指活門檻,F是防護的意思,M是指密閉,1220是指門洞寬1.2 m,高2 m。GHFM1220防護門如圖1所示,其門扇整體寬度為1.4 m,由前后面板和工字鋼焊接而成的中間骨架共同構成,其中骨架由4道主梁和2道次梁構成,周邊用邊梁連接。GHFM1220防護門的抗力等級為核6,前后面板為6 mm厚鋼板,主梁和次梁均采用工字鋼,所選鋼材均為Q235低碳鋼,其中工字鋼的型號為H×B×tw×tf=126 mm×74 mm×5 mm×8 mm,邊梁采用槽鋼,槽鋼的型號為H×B×tw×tf= 126 mm×53 mm×5.5 mm×8 mm,其中H為腰高,B為腰寬,tw為腹板厚度,tf為翼緣厚度。

依據GHFM1220防護門的幾何模型和應用場景,筆者設計新型點陣夾芯結構拱形防護門,如圖2所示,其整體呈現拱形結構,長、寬與GHFM1220防護門相同,防護門由前后面板和中間點陣夾芯組成;前后面板厚分別為2和4 mm,夾芯采用低密度的點陣結構[15-16];拱形面板夾角α為15°,弦長為1400 mm,由兩者確定拱高。

點陣夾芯結構由點陣單元沿著門的高度和寬度重復性組合而成,其組合方式如圖2所示,拱形點陣夾芯門兩個短邊采用槽鋼連接,型號為H×B×tw×tf= 60 mm×45 mm×6 mm×4 mm;兩個長邊采用異形角鋼連接,型號為B1×B2×D= 87 mm× 43 mm ×4 mm,其中B1為長邊寬,B2為短邊寬,D為厚度。芯體截面邊長L×W為2.8 mm×1.6 mm,點陣芯層高度H為60 mm,角度β=60°,門體的總厚度為66 mm。兩種防護門的主要參數見表1。從表1可知,同一尺寸的兩種防護門,普通防護門質量為點陣拱形防護門的3倍左右。

圖2 拱形點陣夾芯防護密閉門

表1 GHFM1220防護門和拱形點陣夾芯防護門主要參數

2 防護門有限元模型建立與驗證

采用有限元數值模擬方法,研究沖擊波作用下點陣夾芯結構拱形防護門的防護性能,并與GHFM1220防護門的防護能力進行比較。本文重點關注防護門門扇的抗爆炸沖擊波性能,因此在模擬過程中忽略門框、鉸頁和閉鎖的影響,并假設門扇四邊簡支于門框。

2.1 材料模型及網格

1) 材料模型。在建立防護門有限元模型時,兩種鋼門面板、骨架和點陣結構均采用Q235鋼制作,材料屬性見表2。

表2 Q235材料參數

在爆炸或高速沖擊等載荷作用下,鋼材力學性能直接與應變速率和溫度等因素相關,可在模擬過程中使用Johson-Cook本構模型[17],如下式:

(1)

表3 Johson-Cook模型參數

2) 有限元網格劃分。采用實體單元對兩種防護門進行網格剖分,經過多次網格有效性分析后發現當GHFM1220防護門網格尺寸為10 mm時,結果精度和計算效率較高。綜合考慮計算時間和計算精度兩個因素后,GHFM1220防護門網格尺寸確定為10 mm,模型共劃分為98 520個單元,有限元模型如圖3所示。點陣夾芯拱形防護門網格尺寸確定為6 mm,為了提高計算效率,取其1/4的結構進行分析,在2個自由邊上施加法向約束,模型共劃分為79 233個單元,如圖4所示。

圖3 GHFM1220防護門模型

圖4 點陣夾芯拱形防護門模型

圖5 空氣沖擊波

2.2 沖擊波荷載

防護門設計時的控制荷載為核爆炸所引起的空氣沖擊波,在結構計算中,核武器爆炸產生的地面空氣沖擊波超壓波形,可取在最大壓力處按切線或按等沖量簡化的無升壓時間的三角形,如圖5所示。

爆炸沖擊波經過時,正壓區對空氣介質的作用程度要比負壓區對空氣介質的作用程度大,所以從研究結構抗力的角度而言,負壓區作用可以忽略[18]。本文采用三角形等沖量簡化的沖擊波進行爆炸沖擊波加載,根據《人民防空地下室設計規范》(GB 50038—2005)[19]得出按在核6下的出入口通道內第一道防護門沖擊波超壓設計值的取值ΔPm=0.15 MPa,t2=1.04 s,對兩種防護門添加沖擊荷載。

2.3 模型驗證

為了驗證有限元模型的精度,將GHFM1220防護門的計算結果與文獻[5]中的相似梁板式防護門結構進行比較,如圖6所示。

圖6 爆炸荷載作用下門扇在t=13 ms時的位移、Mises應力和等效塑性應變

由圖6(a)可以看出,面板位移較大,骨架梁上位移較小,且位移在結構中心處最大,逐漸向兩側遞減,位移分布與文獻[5]中位移分布基本一致;由圖6(b)可以看出,應力在兩側工字鋼末端最大,其他位置較小,有限元模型應力云圖與文獻[5]中基本一致;由圖6(c)可以看出,塑性應變主要出現在兩側工字鋼末端,其他位置幾乎沒有,等效塑性應變與文獻[5]中基本一致。綜合以上對比,表明模擬爆炸荷載作用下的防護門響應具有較高的準確性。

2.4 防護門抗爆性能分析

1) 防護門位移時程趨勢分析。選取GHFM1220防護門后面板的5個節點分析防護門在沖擊荷載下的動態響應,如圖3所示。圖 7為GHFM1220防護門位移響應。類似地,點陣夾芯拱形防護門同樣選取5個節點,如圖4所示。圖8給出了相應的位移時程結果。

由圖7可知,GHFM1220防護門2,3,5點的位移相差不大,原因是這3個點位于骨架梁交點處,而骨架梁的剛度較大,限制了后面板的位移;1,4點位于骨架梁間的面板上,所以其在沖擊荷載下的面外位移較其他3個點大。且5個點的位移呈現波動下降趨勢,其波動周期一致,沖擊荷載作用下的最大位移均出現在第一個波峰,且波峰下降迅速,趨勢明顯,沖擊作用50 ms后歸于0.35 mm左右,該位移為門扇的殘余位移。整個過程中防護門后面板上最大面外位移出現在點1,最大面外位移為1.102 mm。

由圖8可知,點陣夾芯拱形防護門的位移曲線呈現周期性波動,且越往對稱軸處靠近,波動幅度越大,越不容易趨于穩定,1,2,3點趨于穩定的速度明顯慢于4點,且越是靠近外圍的點,波峰和波谷的差異越明顯。其整體呈現波動下降趨勢,而且波峰較GHFM1220防護門的下降趨勢快,最終位移也收斂于0.35 mm左右處。整個過程中防護門后面板上最大面外位移出現在點4,最大面外位移為0.618 mm。通過比較可知,點陣夾芯拱形防護門上的最大面外位移僅為GHFM1220防護門的56.1%,其整體抵抗沖擊荷載變形能力更強。

2) 點陣夾芯拱形防護門位移與應力分布。圖9為點陣夾芯拱形防護門在沖擊波荷載作用0.1,1.0,5.0,9.0 ms時前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和點陣夾芯的位移云圖。從圖9中可知,0.1 ms時迎爆面承擔主要沖擊荷載,在點陣夾芯的作用下,前面板位移成周期性分布,并且對稱軸處位移最大。隨著荷載的持續作用,點陣單元產生位移,并將荷載傳遞到背爆面,但是背爆面位移規律不同于迎爆面,受門框墻處約束和拱形形狀的共同影響導致該處點陣芯層的變形較小。

圖9 點陣夾芯拱形防護門位移分布

點陣芯層在沖擊波荷載作用后,起到了將迎爆面的荷載直接傳遞到背爆面的作用,且對稱軸處的芯層通過變形吸收了部分能量。由于拱形結構本身具有將壓力分解為向下的壓力和向外的推力的特點,因此前面板的變形會隨沖擊波的作用時間逐漸由中心區域向下和向外移動,后面板的變形也呈現逐漸向外移動的趨勢,在此過程中,點陣防護門上沖擊波作用的中間位置變形逐漸減小。隨著時間的增長,結構在沖擊波荷載下趨于穩定,基于拱形結構水平推力作用,拱形點陣防護門各部分會互相擠壓、結合緊密,最終可以承受巨大沖擊波壓力。

沖擊波荷載作用0.1,1.0,5.0,9.0 ms時,點陣夾芯拱形防護門的前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和點陣夾芯的應力分布云圖如圖10所示。由圖10可知,沖擊波荷載作用后,點陣夾芯拱形防護門應力較大的區域首先分布在芯層的支撐桿上,支撐桿所構成的點陣芯層通過變形進行吸能,此時,前面板和后面板上的應力較芯層小,前后面板的應力較大區域出現在點陣與面板的接觸區域。前面板出現變形后,在點陣作用下變形范圍逐步擴大,然后逐步傳遞到后面板。且隨著前面板與點陣芯體層承受的應力逐漸增加,發生變形吸能,從而導致后面板的應力減小。

3) 兩種防護門抗爆性能對比分析。夾芯門被用作爆炸防護結構時,后面板一側倘若變形過大,會對門的開啟或關閉造成極大的困難,不利于人員的出入及逃生。選取后面板最大變形量和最大應力作為夾芯門抗爆性能的關鍵評價指標。選取兩種防護門后面板上出現最大位移與最大應力的節點,兩種防護門最大位移時程曲線與最大應力時程曲線如圖11、圖12所示。

圖10 點陣夾芯拱形防護門應力分布

由圖11、圖12可以看出,GHFM1220防護門后面板和點陣夾芯拱形防護門后面板在同一沖擊波荷載作用下,點陣夾芯拱形防護門后面板最大位移和最大應力均較GHFM1220防護門小,點陣拱形防護門的歸攏速度較GHFM1220防護門快,且點陣夾芯拱形防護門的總質量僅占GHFM1220防護門總質量的37.71%,具有輕質、節省材料的優秀特征,而且如有特殊需要,門體越大,越節省安裝材料。

3 參數優化分析

點陣夾芯拱形防護門主要由三部分組件構成,分別是前面板、后面板、拱形芯體層。防護門的抗爆性能受前面板厚度、后面板厚度、拱形芯體層的尺寸(高度、半徑)、密度等[16]影響,為了指導對此類點陣夾芯拱形防護門優化設計,分別對其參數進行建模分析。

3.1 前面板因素影響

保持點陣夾芯拱形防護門的其他參數和沖擊荷載不變,與表1一致,分別取前面板厚度為1.0,1.5, 2.0,2.5和3.0 mm進行建模,不同點陣拱形防護門后面板最大位移如圖13所示。

圖13 前面板厚度對防護門最大位移的影響

由圖13可知,隨著前面板厚度增大,后面板的最大位移增大。從夾層結構吸能角度出發,前面板越薄,前面板在沖擊荷載下的變形越大,爆炸沖擊波所產生的大部分能量均通過前面板的局部變形和芯層來吸收;隨著前面板厚度的增加,前面板局部變形減小,其吸能降低,整個結構產生較大位移,并將荷載由芯層傳遞至后面板,導致后面板最大位移增加。

3.2 后面板因素影響

保持點陣夾芯拱形防護門的其他參數和沖擊荷載不變,與表1一致,分別取后面板厚度為2.0,2.5,3.0,3.5和4.0 mm進行建模,不同點陣拱形防護門后面板最大位移如圖14所示。

由圖14可知,隨著后面板厚度的增加,后面板的變形量逐漸減小。同時綜合前面板厚度增大,后面板變形增大的特點,點陣夾芯拱形防護門在進行設計時,要盡量減小前面板的厚度,增大后面板的厚度,以確保后面板的變形較小,使得爆炸沖擊波的能量盡量被前面板與芯層吸收,在相同鋼材用量下,提高整個點陣夾芯拱形防護門的抗爆性能。

3.3 點陣夾芯支撐桿尺寸影響

保持點陣夾芯拱形防護門的其他參數和沖擊荷載不變,與表1一致,分別取支撐桿橫截面尺寸L×W為0.5 mm×0.5 mm,1.0 mm×1.0 mm,1.4 mm×1.4 mm,1.8 mm×1.8 mm,2.8 mm×1.6 mm進行建模,不同點陣拱形防護門后面板最大位移如圖15所示。

圖15 不同支撐桿尺寸的防護門最大位移

由圖15可知,支撐桿的橫截面較小時,點陣單元強度較小,則防護門在受到爆炸載荷沖擊時,點陣芯層會迅速地發生損壞,此時前后面板成為主要吸能部件,后面板的最大位移較大,因而金字塔型點陣夾芯板芯體腹桿截面尺寸不宜過小。金字塔型點陣夾芯板芯體腹桿截面尺寸存在最優值,使芯體層充分發揮緩沖吸能特性。同時,衛聰敏[16]研究表明在只考慮夾芯板面比吸能的情況下,低密度金字塔型點陣夾芯板的吸能特性優于高密度金字塔型點陣夾芯板。

4 結論

本文提出一種新型的點陣夾芯拱形防護密閉門,在忽略門框、鉸頁和閉鎖的影響下,采用數值模擬方法對其抗爆性能進行了研究,并與傳統的GHFM1220防護門進行比對。得出以下結論:

1) 點陣夾芯拱形防護門與傳統梁板式鋼制防護門具有同等抗爆防護能力時,其質量僅為傳統梁板式鋼制防護門的37.71%,達到了輕質、高防護的設計目標。

2) 在受到沖擊波荷載的作用時,前面板首先受力,在芯層結構作用下通過擴孔變形吸收沖擊能量,然后傳給點陣芯層,芯層受力產生變形,進一步發揮吸能作用,最后將剩余迎爆面的荷載傳遞到背爆面。前面板的變形會隨著沖擊波的作用時間逐漸由中心區域向下和向外移動,后面板的變形也呈現逐漸向外移動的趨勢,由于迎爆面和芯層的充分耗能,背爆面的位移遠小于迎爆面,達到了防護要求。

3) 通過參數分析可知,幾何參數對抗爆性能的影響很大,因此,點陣夾芯拱形防護門在進行設計優化時,為了使前面板發生破壞變形發揮吸能作用,應使前面板的厚度較薄,提高后面板厚度,在控制支撐桿橫截面適宜的基礎上保證點陣單元能夠讓前面板和芯層相互配合協調,以減小后面板的位移,滿足防護門的防護要求。