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1、5 2 6多破片对不同结构混凝土板 的破坏对比试验研究赵强辛凯邓亮宇( 总参工程兵科研三所，洛阳，4 7 1 0 2 3 )摘要：通过大量模型试验，观测到破片对有限厚度、不同结构混凝土板的破坏过程及形式，得出了破片对混凝土板的破坏机理及一般规律。关键诃：爆炸破片；结构；混凝土板；试验研究1 背景精确制导武器命中精度的提高和在现代高技术战争中的大量应用，使得防护工程正受到日益严重的考验。根据最近几场高技术战争武器的使用情况分析，破片已成为杀伤有生力量和使结构破坏的重要手段，特别是破片集中区对混凝土板的破坏尤为严重。世界各国为了提高武器对防护结构破坏力和杀伤力，纷纷采取增加战斗部内部破片的预装置及
2、预制破片，改变爆炸高度等措施来提高破片破坏威力。目前国外对破片的破坏研究主要针对单个破片对板的侵彻，多个破片同时作用的较少；我们针对目前美军常用的航空炸弹，开展了多破片效应破坏试验，得出了破片对混凝土板的破坏形态及主要影响因素。2 试验情况2 1 破片设计破片模拟美军M K 8 2 、M K 8 3 和M K 8 4 航空炸弹爆炸破片，由于只有少数破片是以尖头撞击结构，此次以钝头作为设计破片，形状见图l 。为了简化问题，假定航弹为圆柱形容器装药，破片的初始速度K 【l l ：可由下式计算【l 】： = 时灏 o 5式中一破片初始速度，m s ；( 2 E 了5 一格尼能量常数，琢( 2 1 1
3、 5 m s ；图1 设计破片中国土木I 程学会纺护I 程分会第九次学术年会论文集5 2 7w 一装药重量，W = 1 巩c 丁，K g ； 睨一弹壳重量，形= W 品+ + 眠，l ( g ；w - 仃一炸药的实际重量，K g ； 一外层壳的重量，K g ； 一内层壳的重量，K g ；W A 一流体的重量，K g 。假定航弹是具有均匀外壳圆柱状装药，得爆炸后产生的最大破片质量及破片的平均质量分别为2 1 ：1f h a M = l n B + - 三I n t 。+ 言l I l d f + l n ( 1 + 子) 一1 0 9ujd ：哆= 2 8 3 5 k A1 1 1 c 7 6
4、措= 5 6 7 M j式中：M 。一破片分布系数；w ，一最大破片的质量，g ；w ，一破片的平均质量，g ；B 一炸药常数，取0 3 1 ； t 一平均厚度，c m ；d f 一平均壳内径，c m 。M K 8 2 、M K 8 3 和M K 8 4 战斗部的特征及其产生的破片计算参数见表1 ，虽然最大破片质量比较大，但其平均质量相对来说是比较小的，就破片的重量而言，这次试验完全能满足，破片具设计体参数见表2 ；由于受试验条件的限制，破片的速度很难满足，此次试验的设计速度约为1 4 0 0 m s 。2 2 靶板设计本次试验共制作四种靶板构件，分别在相同距离上，对不同结构的构件作对比试验，
5、其具体几何特征见表3 。混凝土靶板由碎石( 1 0 r a m 粒径 3 0 r a m ) 、水泥砂浆浇筑注而成；钢筋采用低碳螺纹钢直径为1 2 m m 或2 0 m m ，间距1 6 0 m m ；钢纤维采用“东南”牌S 一4 端钩型钢纤维，其长度为2 5 4 0 r a m ，长径比为5 0 一舳，抗拉强度5 5 0 M P a ，成型率9 0 ；钢板采用邯郸产封S S 4 0 0 ，规格为I O X1 5 0 0 ，屈服强度为3 6 5 M P a ，抗拉强度为4 8 5 M P a ，伸长率为2 3 ；这四种构件混凝土设计标号为C 3 0 ，常温下养护2 8 天后进行试验。5 2 8
6、表1部分美式航弹参数及破片的计算参数战斗部d f r a i nt c m mw c k gW k gw f ，gf ，形M K 8 22 7 37 61 1 01 1 71 9 241 8 6 7M K 8 33 5 62 01 8 l2 7 38 9 72 22 氓论M K 8 44 6 02 53 2 05 8 01 6 5 23 81 9 2 5表2 破片的设计参数厚度约为3 5 4 c m 质量约值儋破片配置数量的百分比 长度约f f V c m宽度约t 重 1 c m1 01 1 7 13 1 2 75 3 62 01 6 5 64 4 2 32 8 63 02 0 2 95 4
7、1 71 0 74 52 4 8 56 6 3 47 1表3 靶板几何特征及钢纤维含量钢板厚度钢纤维含量 构件类型长，m m宽，m m厚度，m m m m钢纤维钢筋混凝土1 5 0 01 5 0 02 0 02钢筋混凝土1 5 0 01 5 0 02 0 0钢板+ 钢纤维混凝土+ 钢板1 01 5 0 05 0 02 0 02球墨铸铁板+ 钢纤维钢筋混凝土3 05 0 05 0 03 0 022 3 测速装置为更准确、可靠地对破片的速度进行测量，分别采用了狭缝摄影机测速法和线靶测速法。经过试验，此两种测速方法所测得速度相差不大，狭缝摄影仪( 见图2 ) 由控制器指令进行实时摄影，用来记录破片的
8、飞行姿态和速度；线靶测速法的原理是在得到两线靶距离的前提下，用瞬态记录仪记录下两线靶的断开的相对时间，算出两线靶段开的时间差，进而计算出破片的初速，线靶测速原理示意图见图3 。图2 狭缝摄影仪图3 线靶测速度原理示意图中国木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集5 2 93 试验结果为了使不同结构构件的抗破片能力具有可比性，此次试验所用破片的质量和数目基本均相同，所有构件距炮口约1 4 5 m 左右，破片的速度约1 4 0 0 m s 。试验以于钢纤维混凝土构件为基准构件，其它构件与之相比较，破片只对钢纤维混凝土构件产生了侵彻，侵彻坑的直径和深度与破片的直径和撞击速度成正比。本次试验中，
9、侵彻部位产生的坑的深度和直径并不十分严重，但对靶的破坏面积很大，特别是对靶板中间的破坏尤为明显；破片只是切断了一个靶中心的一根钢筋，对其他部位的钢筋没有破坏；靶板后面局部产生了震塌现象，并有细小裂纹，如图4 。图4 钢纤维混凝土靶板破坏在破片的作用下，混凝土靶板不但被大面积的侵彻，而且还被贯穿，靶板的背面产生了一个漏斗状的坑，并与正面的侵彻破坏区相连接；在漏斗坑周围产生了很多辐射状裂纹，并有一些大的裂纹贯通到正面；对钢筋也产生了严重的破坏，不仅切断第一层钢筋的数量明显增多，而且第二层钢筋也被切断，见图5 。图5 混凝土靶板破坏5 3 0赵强等：多破片对不同结构混凝板的破坏对比试验研究由于钢板能
10、有效减慢破片的速度，破片对复合构件( 钢板+ 钢纤维混凝土+ 钢板) 的破坏远比预料的小，见图6 。破片对前面的钢板破坏比较严重，并把钢板撕裂，并且钢板片还有效的阻挡了一些破片。钢纤维混凝土中间部位被破片侵彻破坏，并产生了破碎带，钢纤维混凝土被切成了两段；由于钢板和钢纤维混凝土的共同作用，破片对第二层钢板没产生任何侵彻破坏，只使钢板产生了弯曲变形( 如图7 ) ，钢板的整体并没有大的破坏。表面铺有球墨铸铁板的钢纤维混凝土抗破片的能力比复合结构要强得多，球墨铸铁板可以反弹一些破片，并图6 复合靶板的破坏且可以阻挡一些破片穿透球墨铸铁板，但对绝大部分破片作用不大。它有效地降低了破片的速度，减轻了破
11、片对混凝土的破坏程度。由于球墨铸铁板脆性比较大，球墨铸铁板被冲击成6 块，但对钢纤维混凝土没有任图7 第二层镛阪的弯曲变形何破坏。在同样的条件下，同种钢纤维混凝土在破片的作用下，混凝土被完全剥离，绝大部分混凝土被破坏成碎末状；部分钢筋被切断或发生弯曲变形，混凝土的结构被完全破坏，见图8 。图8 球墨铸铁板+ 钢纤维混凝土板和钢纤维混凝土板对比破坏4 试验结论( 1 ) 破片撞击靶板后的破坏效果，与破片的速度、形状、重量、靶板强度以及靶板的厚度、面积等多种参数有关，改变任意一项内容都会得到不同的撞击效果。( 2 ) 钢纤维混凝土靶板的防震塌能力远比混凝土靶板强，钢纤维混凝土可有效地阻挡一部分破片
12、。一确霞己衣功棼渤拿幼护功蚴麓尢次学刁e 簪余窿 j 艺龚5 3 1 - - 二- ：一：= ：= ：( 3 ) 相对于钢纤维钢筋混凝土，钢纤维混凝土的整体抗片能力不强，它很容易被集中 破片破坏，是其结构产生致命的毁坏。( 4 ) 钢板可以有效阻挡一些破片，破片能否穿过钢板取决于破片的速度、入射姿态、重量、钢板的厚度和强度等因素。破片的速度和重量是使靶板破坏的主要因素；同时人射姿态也是一个重要因素，破片与钢板的接触面积越大，破片则越不容易穿透钢板，见图9 。图9 钢板对破片的阻挡情况( 5 ) 球墨铸铁板对改变破片的飞行方向作用不大，但对降低破片的速度和阻挡破片穿透的效果很明显，它对保护钢纤维混凝土结构起了很重要的作用。参考文献【1 】张守保等译抗偶然爆炸结构设计手册( T M5 1 3 0 0 ) 洛阳：总参工程兵科研三所。1 9 9 8【2 】李晓军，张殿臣，李清献编国外常规武器破坏效应与工程防护技术研究总参工程兵科研兰所。2 0 0 0f 3 】董军，杨科之等常规弹头慰混凝土板冲击贯穿的试验研究防护工程，2 0 0 3 ，2 5 ( 4 ) ：5 一l O
