王夢(mèng)瑩,張君博,梁海志,張紀(jì)剛

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525)

早期研究的防護(hù)門主要有鋼筋混凝土防護(hù)門[1]和鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)門[2],具有制作方便、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn),但是為了滿足技術(shù)指標(biāo)的要求,存在門體質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)形式和材料比較單一等不足,導(dǎo)致在使用過程中開啟和維護(hù)不易、搶修搶建困難等一系列問題。隨著對(duì)高抗力、大跨度防護(hù)門的需求,門體結(jié)構(gòu)形式的改變是提高防護(hù)門抗力的一種有效方法,目前采用較多的結(jié)構(gòu)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(zhì)量過重的問題,綜合應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備成果,目前研究防護(hù)門已由最初關(guān)注抗力的提高轉(zhuǎn)變到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[6]。

防護(hù)門在滿足規(guī)范指標(biāo)的要求下要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化,單一改變材料類型難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 EVANS 等提出了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)的概念[7-8],隨著研究的深入,新型三明治夾芯結(jié)構(gòu)“點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)”具有獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特性,例如高比強(qiáng)度、高比剛度等優(yōu)良性能,還具有吸能、隔熱、降噪、制動(dòng)、吸聲及電磁屏蔽等多功能性,可在保證強(qiáng)度的前提下彌補(bǔ)早期防護(hù)門質(zhì)量重的短板。陳東等[9]總結(jié)了點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)性能,進(jìn)一步明確了其良好的動(dòng)態(tài)性能、吸能特點(diǎn)和防護(hù)性高的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)點(diǎn)陣構(gòu)型分類,點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)可分為二維格柵結(jié)構(gòu)和三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。目前研究的三維點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)主要有金字塔、四面體和3D-Kagome點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)等幾種構(gòu)型,而以往的研究發(fā)現(xiàn)金字塔型與其他點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相比,具備更好的力學(xué)性能[10-12]。

為了解決傳統(tǒng)防護(hù)密閉門存在的技術(shù)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(yōu)勢(shì),同時(shí)利用拱形門同等條件下抗力更高的優(yōu)點(diǎn)[13-14],本文提出了采用金字塔型點(diǎn)陣夾芯的新型點(diǎn)陣拱形防護(hù)門,并詳細(xì)介紹了該防護(hù)門結(jié)構(gòu)形式,采用有限元模擬驗(yàn)證了爆炸沖擊波荷載下該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)拱形防護(hù)門的優(yōu)異性能,同時(shí)對(duì)該新型防護(hù)門的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,以指導(dǎo)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)拱形防護(hù)門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門幾何構(gòu)造

圖1 GHFM1220鋼結(jié)構(gòu)活門檻防護(hù)密閉門

人防工程中常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)活門檻防護(hù)密閉門一般采用梁板式結(jié)構(gòu),本文選取由中國人民解放軍總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院研制的GHFM1220防護(hù)門作為參照對(duì)象,以下簡(jiǎn)稱GHFM1220防護(hù)門,其中,G是指鋼結(jié)構(gòu),H是指活門檻,F是防護(hù)的意思,M是指密閉,1220是指門洞寬1.2 m,高2 m。GHFM1220防護(hù)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(gòu)成,其中骨架由4道主梁和2道次梁構(gòu)成,周邊用邊梁連接。GHFM1220防護(hù)門的抗力等級(jí)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(hào)為H×B×tw×tf=126 mm×74 mm×5 mm×8 mm,邊梁采用槽鋼,槽鋼的型號(hào)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(jù)GHFM1220防護(hù)門的幾何模型和應(yīng)用場(chǎng)景,筆者設(shè)計(jì)新型點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)拱形防護(hù)門,如圖2所示,其整體呈現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu),長、寬與GHFM1220防護(hù)門相同,防護(hù)門由前后面板和中間點(diǎn)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[15-16];拱形面板夾角α為15°,弦長為1400 mm,由兩者確定拱高。

點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)由點(diǎn)陣單元沿著門的高度和寬度重復(fù)性組合而成,其組合方式如圖2所示,拱形點(diǎn)陣夾芯門兩個(gè)短邊采用槽鋼連接,型號(hào)為H×B×tw×tf= 60 mm×45 mm×6 mm×4 mm;兩個(gè)長邊采用異形角鋼連接,型號(hào)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(diǎn)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(hù)門的主要參數(shù)見表1。從表1可知,同一尺寸的兩種防護(hù)門,普通防護(hù)門質(zhì)量為點(diǎn)陣拱形防護(hù)門的3倍左右。

圖2 拱形點(diǎn)陣夾芯防護(hù)密閉門

表1 GHFM1220防護(hù)門和拱形點(diǎn)陣夾芯防護(hù)門主要參數(shù)

2 防護(hù)門有限元模型建立與驗(yàn)證

采用有限元數(shù)值模擬方法,研究沖擊波作用下點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)拱形防護(hù)門的防護(hù)性能,并與GHFM1220防護(hù)門的防護(hù)能力進(jìn)行比較。本文重點(diǎn)關(guān)注防護(hù)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(shè)門扇四邊簡(jiǎn)支于門框。

2.1 材料模型及網(wǎng)格

1) 材料模型。在建立防護(hù)門有限元模型時(shí),兩種鋼門面板、骨架和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)均采用Q235鋼制作,材料屬性見表2。

表2 Q235材料參數(shù)

在爆炸或高速?zèng)_擊等載荷作用下,鋼材力學(xué)性能直接與應(yīng)變速率和溫度等因素相關(guān),可在模擬過程中使用Johson-Cook本構(gòu)模型[17],如下式:

(1)

表3 Johson-Cook模型參數(shù)

2) 有限元網(wǎng)格劃分。采用實(shí)體單元對(duì)兩種防護(hù)門進(jìn)行網(wǎng)格剖分,經(jīng)過多次網(wǎng)格有效性分析后發(fā)現(xiàn)當(dāng)GHFM1220防護(hù)門網(wǎng)格尺寸為10 mm時(shí),結(jié)果精度和計(jì)算效率較高。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度兩個(gè)因素后,GHFM1220防護(hù)門網(wǎng)格尺寸確定為10 mm,模型共劃分為98 520個(gè)單元,有限元模型如圖3所示。點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門網(wǎng)格尺寸確定為6 mm,為了提高計(jì)算效率,取其1/4的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,在2個(gè)自由邊上施加法向約束,模型共劃分為79 233個(gè)單元,如圖4所示。

圖3 GHFM1220防護(hù)門模型

圖4 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門模型

圖5 空氣沖擊波

2.2 沖擊波荷載

防護(hù)門設(shè)計(jì)時(shí)的控制荷載為核爆炸所引起的空氣沖擊波,在結(jié)構(gòu)計(jì)算中,核武器爆炸產(chǎn)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(jiǎn)化的無升壓時(shí)間的三角形,如圖5所示。

爆炸沖擊波經(jīng)過時(shí),正壓區(qū)對(duì)空氣介質(zhì)的作用程度要比負(fù)壓區(qū)對(duì)空氣介質(zhì)的作用程度大,所以從研究結(jié)構(gòu)抗力的角度而言,負(fù)壓區(qū)作用可以忽略[18]。本文采用三角形等沖量簡(jiǎn)化的沖擊波進(jìn)行爆炸沖擊波加載,根據(jù)《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50038—2005)[19]得出按在核6下的出入口通道內(nèi)第一道防護(hù)門沖擊波超壓設(shè)計(jì)值的取值ΔPm=0.15 MPa,t2=1.04 s,對(duì)兩種防護(hù)門添加沖擊荷載。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的精度,將GHFM1220防護(hù)門的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]中的相似梁板式防護(hù)門結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,如圖6所示。

圖6 爆炸荷載作用下門扇在t=13 ms時(shí)的位移、Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)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(jié)構(gòu)中心處最大,逐漸向兩側(cè)遞減,位移分布與文獻(xiàn)[5]中位移分布基本一致;由圖6(b)可以看出,應(yīng)力在兩側(cè)工字鋼末端最大,其他位置較小,有限元模型應(yīng)力云圖與文獻(xiàn)[5]中基本一致;由圖6(c)可以看出,塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在兩側(cè)工字鋼末端,其他位置幾乎沒有,等效塑性應(yīng)變與文獻(xiàn)[5]中基本一致。綜合以上對(duì)比,表明模擬爆炸荷載作用下的防護(hù)門響應(yīng)具有較高的準(zhǔn)確性。

2.4 防護(hù)門抗爆性能分析

1) 防護(hù)門位移時(shí)程趨勢(shì)分析。選取GHFM1220防護(hù)門后面板的5個(gè)節(jié)點(diǎn)分析防護(hù)門在沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),如圖3所示。圖 7為GHFM1220防護(hù)門位移響應(yīng)。類似地,點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門同樣選取5個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖4所示。圖8給出了相應(yīng)的位移時(shí)程結(jié)果。

由圖7可知,GHFM1220防護(hù)門2,3,5點(diǎn)的位移相差不大,原因是這3個(gè)點(diǎn)位于骨架梁交點(diǎn)處,而骨架梁的剛度較大,限制了后面板的位移;1,4點(diǎn)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(gè)點(diǎn)大。且5個(gè)點(diǎn)的位移呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),其波動(dòng)周期一致,沖擊荷載作用下的最大位移均出現(xiàn)在第一個(gè)波峰,且波峰下降迅速,趨勢(shì)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(gè)過程中防護(hù)門后面板上最大面外位移出現(xiàn)在點(diǎn)1,最大面外位移為1.102 mm。

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

2) 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門位移與應(yīng)力分布。圖9為點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門在沖擊波荷載作用0.1,1.0,5.0,9.0 ms時(shí)前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和點(diǎn)陣夾芯的位移云圖。從圖9中可知,0.1 ms時(shí)迎爆面承擔(dān)主要沖擊荷載,在點(diǎn)陣夾芯的作用下,前面板位移成周期性分布,并且對(duì)稱軸處位移最大。隨著荷載的持續(xù)作用,點(diǎn)陣單元產(chǎn)生位移,并將荷載傳遞到背爆面,但是背爆面位移規(guī)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(dǎo)致該處點(diǎn)陣芯層的變形較小。

圖9 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門位移分布

點(diǎn)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(duì)稱軸處的芯層通過變形吸收了部分能量。由于拱形結(jié)構(gòu)本身具有將壓力分解為向下的壓力和向外的推力的特點(diǎn),因此前面板的變形會(huì)隨沖擊波的作用時(shí)間逐漸由中心區(qū)域向下和向外移動(dòng),后面板的變形也呈現(xiàn)逐漸向外移動(dòng)的趨勢(shì),在此過程中,點(diǎn)陣防護(hù)門上沖擊波作用的中間位置變形逐漸減小。隨著時(shí)間的增長,結(jié)構(gòu)在沖擊波荷載下趨于穩(wěn)定,基于拱形結(jié)構(gòu)水平推力作用,拱形點(diǎn)陣防護(hù)門各部分會(huì)互相擠壓、結(jié)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(shí),點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門的前面板(迎爆面)、后面板(背爆面)和點(diǎn)陣夾芯的應(yīng)力分布云圖如圖10所示。由圖10可知,沖擊波荷載作用后,點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門應(yīng)力較大的區(qū)域首先分布在芯層的支撐桿上,支撐桿所構(gòu)成的點(diǎn)陣芯層通過變形進(jìn)行吸能,此時(shí),前面板和后面板上的應(yīng)力較芯層小,前后面板的應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在點(diǎn)陣與面板的接觸區(qū)域。前面板出現(xiàn)變形后,在點(diǎn)陣作用下變形范圍逐步擴(kuò)大,然后逐步傳遞到后面板。且隨著前面板與點(diǎn)陣芯體層承受的應(yīng)力逐漸增加,發(fā)生變形吸能,從而導(dǎo)致后面板的應(yīng)力減小。

3) 兩種防護(hù)門抗爆性能對(duì)比分析。夾芯門被用作爆炸防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),后面板一側(cè)倘若變形過大,會(huì)對(duì)門的開啟或關(guān)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(yīng)力作為夾芯門抗爆性能的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。選取兩種防護(hù)門后面板上出現(xiàn)最大位移與最大應(yīng)力的節(jié)點(diǎn),兩種防護(hù)門最大位移時(shí)程曲線與最大應(yīng)力時(shí)程曲線如圖11、圖12所示。

圖10 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門應(yīng)力分布

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

3 參數(shù)優(yōu)化分析

點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門主要由三部分組件構(gòu)成,分別是前面板、后面板、拱形芯體層。防護(hù)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(dǎo)對(duì)此類點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門優(yōu)化設(shè)計(jì),分別對(duì)其參數(shù)進(jìn)行建模分析。

3.1 前面板因素影響

保持點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門的其他參數(shù)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(jìn)行建模,不同點(diǎn)陣拱形防護(hù)門后面板最大位移如圖13所示。

圖13 前面板厚度對(duì)防護(hù)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(jié)構(gòu)吸能角度出發(fā),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(chǎn)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(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移,并將荷載由芯層傳遞至后面板,導(dǎo)致后面板最大位移增加。

3.2 后面板因素影響

保持點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門的其他參數(shù)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(jìn)行建模,不同點(diǎn)陣拱形防護(hù)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(shí)綜合前面板厚度增大,后面板變形增大的特點(diǎn),點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),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(gè)點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門的抗爆性能。

3.3 點(diǎn)陣夾芯支撐桿尺寸影響

保持點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門的其他參數(shù)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(jìn)行建模,不同點(diǎn)陣拱形防護(hù)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(hù)門最大位移

由圖15可知,支撐桿的橫截面較小時(shí),點(diǎn)陣單元強(qiáng)度較小,則防護(hù)門在受到爆炸載荷沖擊時(shí),點(diǎn)陣芯層會(huì)迅速地發(fā)生損壞,此時(shí)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(diǎn)陣夾芯板芯體腹桿截面尺寸不宜過小。金字塔型點(diǎn)陣夾芯板芯體腹桿截面尺寸存在最優(yōu)值,使芯體層充分發(fā)揮緩沖吸能特性。同時(shí),衛(wèi)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(diǎn)陣夾芯板的吸能特性優(yōu)于高密度金字塔型點(diǎn)陣夾芯板。

4 結(jié)論

本文提出一種新型的點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)密閉門,在忽略門框、鉸頁和閉鎖的影響下,采用數(shù)值模擬方法對(duì)其抗爆性能進(jìn)行了研究,并與傳統(tǒng)的GHFM1220防護(hù)門進(jìn)行比對(duì)。得出以下結(jié)論:

1) 點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門與傳統(tǒng)梁板式鋼制防護(hù)門具有同等抗爆防護(hù)能力時(shí),其質(zhì)量僅為傳統(tǒng)梁板式鋼制防護(hù)門的37.71%,達(dá)到了輕質(zhì)、高防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2) 在受到?jīng)_擊波荷載的作用時(shí),前面板首先受力,在芯層結(jié)構(gòu)作用下通過擴(kuò)孔變形吸收沖擊能量,然后傳給點(diǎn)陣芯層,芯層受力產(chǎn)生變形,進(jìn)一步發(fā)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(huì)隨著沖擊波的作用時(shí)間逐漸由中心區(qū)域向下和向外移動(dòng),后面板的變形也呈現(xiàn)逐漸向外移動(dòng)的趨勢(shì),由于迎爆面和芯層的充分耗能,背爆面的位移遠(yuǎn)小于迎爆面,達(dá)到了防護(hù)要求。

3) 通過參數(shù)分析可知,幾何參數(shù)對(duì)抗爆性能的影響很大,因此,點(diǎn)陣夾芯拱形防護(hù)門在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí),為了使前面板發(fā)生破壞變形發(fā)揮吸能作用,應(yīng)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(chǔ)上保證點(diǎn)陣單元能夠讓前面板和芯層相互配合協(xié)調(diào),以減小后面板的位移,滿足防護(hù)門的防護(hù)要求。