组合式防护结构的抗爆性能与泡沫混凝土层密切相关，泡沫混凝土层与高强混凝土遮弹层形成强波阻抗失配关系，通过“调控”爆炸能量的分配，使得爆炸能量大部分耗散在遮弹层中，大幅减少经泡沫混凝土层到达主体结构上的荷载和能量^[1]。根据文献[1]中爆炸波在组合式防护结构中的传播衰减规律（图1），由遮弹层透射进入泡沫混凝土层的爆炸波仅使得端部0～0.08 m范围内的泡沫混凝土产生塑性变形，其余范围均处于弹性状态，泡沫混凝土的消波特性未得到充分发挥。泡沫混凝土具有较长的屈服平台，密实应变远大于屈服应变，当泡沫混凝土的应变峰值未达到密实应变时，泡沫混凝土中爆炸荷载峰值不超过平台应力（即屈服应力）。为充分发挥泡沫混凝土自身良好的消波特性，有必要探讨泡沫混凝土层厚度对组合式防护结构抗爆性能的影响，从而为合理确定泡沫混凝土层厚度提供依据。

图  1  0.5 m厚泡沫混凝土层沿中心轴线方向的爆炸波应力、应变峰值分布情况^[1]

Figure  1.  Distribution of peak stress and peak strain along the central axis of the foam concrete layer with a thickness of 0.5 m^[1]

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另外值得关注的一点是泡沫混凝土强度的影响，注意到新型组合式防护结构不仅适用于地下坑道等小跨度结构，亦适用于飞机洞库、地下指挥所等大跨度结构^[2]。对于小跨度结构，在爆炸波作用下通常按照局部破坏作用设计，并以主体结构层内表面不发生震塌为原则确定厚度^[3]。对于地下浅埋的大跨度结构，往往要求其能够同时抵抗爆炸应力波的局部破坏作用和整体破坏作用，整体破坏与结构的跨度、截面尺寸、材料性能等特征均有关^[4]。一定厚度的泡沫混凝土层可使得作用于主体结构层的爆炸荷载峰值不超过泡沫混凝土材料的屈服应力^[1]。对于组合式防护结构而言，同等条件下小跨度结构抗力通常高于大跨度结构，此时可选取强度标号相对较高（屈服应力较大）的泡沫混凝土，而对于大跨度结构，可选取强度标号较低的泡沫混凝土从而避免主体结构层发生整体破坏。

已有研究^[5-7]表明，与均匀密度材料相比，梯度多孔材料（如泡沫金属、泡沫聚合物和泡沫陶瓷等）在冲击爆炸荷载下具有更好的力学性能。Gardner等^[8]和Wang等^[9]通过试验研究了梯度泡沫金属夹芯梁的力学性能，发现由于层间不连续性的削弱作用，随着芯层层数的增加，结构的抗冲击性能逐渐增加。Gupta^[10]针对分层梯度泡沫材料的压缩性能开展了试验研究，发现在一定的压缩范围内，用多层不同密度泡沫铝代替单层结构可以显著地提高能量吸收性能。Zeng等^[11]通过试验与数值模拟研究了层状梯度空心金属球的冲击响应，研究表明，合理的密度分布可有效地增强能量吸收能力，并显著降低透射波的强度。可以看出，冲击和爆炸等强动载作用下，已有研究相对较多关注分层梯度延性泡沫金属材料（如泡沫铝）的能量吸收性能，对分层梯度脆性泡沫混凝土材料的消波特性关注相对较少，而泡沫混凝土的力学性能与延性泡沫金属材料存在明显区别。

郝逸飞等^[12]研发的粉煤灰-矿渣基碱激发泡沫混凝土，以固废基微粉、碱激发剂、水和发泡剂为原料，生产过程不使用水泥，所需原材料种类少，制备工艺简单，充分考虑泡沫在混合浆体中的受力，有效抑制气泡合并上浮趋势，在提高材料的强度的同时可明显减少塌模和干缩等现象。碱激发泡沫混凝土密度等级在200～1 200 kg/m³之间，强度等级在0.5～40.0 MPa之间，密度与强度之间呈一一对应的关系，现场通过调试发泡速率与泵送速率，可控制碱激发泡沫混凝土的密度等级，从而控制碱激发泡沫混凝土的强度等级。利用碱激发泡沫混凝土施工方便且性能可控的特点，可为研究泡沫混凝土厚度、强度以及分层梯度泡沫混凝土对组合式防护结构抗爆性能的影响提供条件。

基于此，本文中通过试验及数值模拟研究泡沫混凝土层厚度和强度等因素对组合式防护结构抗爆性能的影响，并分析分层梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性；在此基础上，将组合式防护结构与采用中粗砂为分配层的传统成层式结构进行对比，分析验证其优越性；最后提炼总结组合式防护结构的主体结构荷载可控的设计理念。

1.   泡沫混凝土层厚度的影响

文献[1]中，当C5泡沫混凝土层厚度为0.5 m时，作用在主体结构层的爆炸荷载峰值为4.73 MPa，而泡沫混凝土层远端（0.49 m处）应变峰值尚未达到屈服应变0.025^[1]，泡沫混凝土的消波特性尚未得到充分发挥。因此，有必要探讨泡沫混凝土层厚度对组合式防护结构抗爆性能的影响。为分析不同厚度泡沫混凝土层的消波耗能特性，特设置0.5、0.3和0.2 m等3种不同厚度的C5泡沫混凝土层进行数值模拟。需要强调的是，除改变C5泡沫混凝土层厚度（从0.5 m分别改为0.3和0.2 m）以外，数值模型几何尺寸、边界条件和材料模型等与文献[1]中的组合式防护结构预制孔装药爆炸数值模型完全相同，如图2所示，从上到下各层依次编号为1～3，层1和层2界面、层2和层3界面依次编号为A和B。

图  2  组合式防护结构数值模型及测点布置示意图^[1]

Figure  2.  Numerical model of composite protective structure subjected to explosion and locations of the gauge^[1]

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图3(a)给出了厚0.3 m的泡沫混凝土层沿中心轴线方向的应力和应变峰值分布。可以看出在0.15～0.30 m范围内应力峰值和应变峰值出现反射增强现象，其中在0.22～0.30 m范围内，应力峰值与C5泡沫混凝土的屈服应力相当；注意到泡沫混凝土层远端（0.29 m处）应变峰值为0.039，远低于C5泡沫混凝土的密实应变0.236^[1]，即仍可以降低泡沫混凝土层厚度使得作用于主体结构上的应力峰值不增加。图3(b)给出了厚0.2 m泡沫混凝土层沿中心轴线方向的应力和应变峰值分布。此时各处泡沫混凝土均处于屈服状态（应变峰值大于屈服应变0.025），应力峰值均与屈服应力5 MPa相当；在0.07～0.20 m范围内泡沫混凝土出现反射增强现象，泡沫混凝土层远端（0.19 m处）的应变峰值为0.05，仍低于C5泡沫混凝土的密实应变。

图  3  爆炸波在不同厚度泡沫混凝土层中的传播衰减

Figure  3.  Propagation of blast waves in foam concrete layers with different thicknesses

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图4给出了3种不同泡沫混凝土层厚度（0.5、0.3和0.2 m）时主体结构层上表面中心位置（图2中测点B-3-1）的应力时程曲线，可以看出，0.2和0.3 m厚对应的应力峰值与泡沫混凝土屈服应力相当，而0.5 m厚时略小于屈服应力。若继续减小泡沫混凝土层厚度，由于反射增强现象可能会使得下端泡沫混凝土进入密实阶段，从而使得作用于主体结构上的荷载出现荷载增强效应，即经过泡沫混凝土层传递至主体结构层的荷载超过初始荷载，该现象已在一维波在泡沫混凝土中的传播试验中得到证实^[13]。也即泡沫混凝土层存在一个临界厚度，使得作用于主体结构层的爆炸荷载峰值不超过泡沫混凝土材料的屈服应力，该临界厚度已在文献[14]中进行细致讨论分析并给出了临界厚度计算方法。

图  4  不同厚度泡沫混凝土层时主体结构层测点的应力时程曲线

Figure  4.  Stress-time histories of gauges in structure layer with different thicknesses of foam concrete layer

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2.   泡沫混凝土强度的影响

由前文分析可知，一定厚度的泡沫混凝土可使得作用于主体结构层的爆炸荷载峰值不超过泡沫混凝土材料的屈服应力。通常而言，不同跨度的防护结构抗爆炸荷载能力不同，同等条件下小跨度结构抗力通常高于大跨度结构，根据跨度大小选取与之相匹配的泡沫混凝土强度等级，可在确保组合式防护结构具有良好抗爆性能的同时优化组合式防护结构的整体厚度。

关于泡沫混凝土强度对组合式防护结构抗爆性能的影响。首先根据JG/T 266—2011《泡沫混凝土规范》^[15]，制备工程中常用的C1、C3、C5和C10等4种强度等级的泡沫混凝土（配合比见表1）开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验（试验基本情况见文献[1]），然后利用数值模拟详细研究泡沫混凝土强度对组合式防护结构抗爆性能的影响规律。

表  1  泡沫混凝土配合比

Table  1.  Mix proportion of foam concrete

强度等级	设计密度/(kg·m−3)	粉煤灰/(kg·m−3)	矿渣/(kg·m−3)	硅酸钠溶液/(kg·m−3)	氢氧化钠固体/(kg·m−3)	水/(kg·m−3)	泡沫/(L·m−3)
C1	500	202	202	188	14	72	600
C3	900	362	362	339	25	133	406
C5	1200	484	484	452	33	182	108
C10	1400	564	564	528	38	213	65

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2.1   爆炸试验

为探讨泡沫混凝土强度对组合式防护结构抗爆性能的影响规律，除文献[1]中采用厚0.5 m的C5泡沫混凝土层外，分别采用厚0.5 m的C1、C3和C10泡沫混凝土层开展组合式防护结构预制孔装药爆炸试验。试验基本情况与文献[1]相同，仅改变泡沫混凝土强度，在此不赘述。

图5给出了爆炸试验后不同靶体的损伤破坏情况，可以看出，对于遮弹层的损伤破坏，除C3泡沫混凝土靶体（以下简称C3靶体，见图5(b)）外，C1、C5和C10靶体遮弹层的损伤破坏均可分为4个区域，即顶部成坑区、装药附近破碎区、底部震塌区和侧面径向裂缝区。对于C3靶体，其遮弹层的损伤破坏程度明显偏小，结合试验中高速摄像采集的炸药爆轰图像可以判定，其主要由TNT药柱铸药质量较差导致TNT有效当量不足引起。

图  5  试验后不同靶体损伤破坏情况的剖面图

Figure  5.  Sectional view of post-test failure in composite protective structures with different foam concrete layers

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爆炸试验后4种强度的泡沫混凝土层中均出现少量竖向裂纹；泡沫混凝土层厚度较试验前（0.5 m）均有所降低，试验后经测量C1、C3、C5和C10泡沫混凝土层沿中心轴线方向的厚度分别为0.423、0.483、0.446和0.465 m，即在爆炸波作用下泡沫混凝土层出现塑性变形，且同等厚度下泡沫混凝土强度等级越低，塑性变形越大（C3靶体除外）；4种类型靶体的主体结构层均完好无损，由此说明，具有一定厚度的强度等级为C1、C3、C5和C10的泡沫混凝土层均能有效削弱爆炸波，避免主体结构层发生损伤破坏。

为得到爆炸波在组合式防护结构中的传播衰减规律，在4种靶体的主体结构层上表面中心位置均预埋PVDF应力传感器。图6给出了实测的C3和C5靶体对应测点的应力时程曲线，可以看出应力峰值分别为2.6和2.1 MPa。由此说明，一定厚度的不同强度泡沫混凝土层能够有效衰减弹药爆炸产生的爆炸荷载，且作用于主体结构上的爆炸荷载峰值不超过对应强度泡沫混凝土的屈服平台。

图  6  主体结构层上表面中心位置测点实测应力时程曲线

Figure  6.  Stress-time histories of gauges at the upper surface of the structure layer in the test

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2.2   数值模拟

由第2.1节中的试验结果可知，具有一定厚度的不同强度泡沫混凝土层均能够有效衰减弹药产生的爆炸荷载，避免主体结构层发生损伤破坏。然而，仅利用有限的试验数据，尚不能明确泡沫混凝土强度对组合式防护结构抗爆性能的影响规律，基于此，本节开展泡沫混凝土强度对组合式防护结构抗爆性能影响的数值模拟研究。为研究强度等级为C1、C3、C5和C10的泡沫混凝土层对组合式防护结构抗爆性能的影响规律，建立了组合式防护结构预制孔装药爆炸数值模型，模型与图2所示相同，仅改变泡沫混凝土层厚度（由0.5 m改为0.3 m）和强度等级（C1、C3、C5和C10）。

图7给出了数值模拟预测的不同靶体遮弹层损伤云图，可以看出不同泡沫混凝土强度下遮弹层损伤破坏仅在底部震塌区存在差异，且泡沫混凝土强度越低，遮弹层底部震塌破坏区域越大，该现象与图5中试验得到的遮弹层底部震塌区损伤破坏情况基本相符（C3靶体除外）。这是由于泡沫混凝土层的存在使爆炸波在遮弹层和泡沫混凝土层的界面处反射拉伸波，进而使爆炸能量向上部遮弹层转移造成震塌破坏；且强度等级越低的泡沫混凝土与高强混凝土遮弹层的波阻抗失配程度越高，从而使更多的爆炸能量随反射拉伸波转移至遮弹层，从而造成遮弹层底部更大程度的震塌破坏。

图  7  不同靶体的遮弹层损伤云图

Figure  7.  Numerically predicted damage of concrete shelter in composite protective structures

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图8给出了不同类型靶体主体结构层上表面中心位置测点（图2中B-3-1测点）的应力时程曲线。可以看出，应力峰值均不超过泡沫混凝土材料的屈服应力，对于C1、C3和C5靶体，测点应力峰值与其屈服应力相当，而C10靶体测点的应力峰值低于屈服应力，为9.1 MPa。由此进一步说明，一定厚度的不同强度泡沫混凝土层均能将作用在主体结构上的荷载峰值衰减至不超过泡沫混凝土的屈服平台，且可通过调整泡沫混凝土强度等级来实现对主体结构上荷载的可控设计。

图  8  数值模拟预测的不同靶体B-3-1测点的应力时程曲线

Figure  8.  Numerically predicted stress-time histories of gauge B-3-1 in composite protective structures

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为探讨爆炸波在不同强度泡沫混凝土中的传播衰减规律，图9分别给出了厚0.3 m的不同强度泡沫混凝土层沿中心轴线方向的应力、应变峰值分布情况。

图  9  爆炸波在不同强度的泡沫混凝土层中的传播衰减

Figure  9.  Propagation of blast waves in foam concrete layer with different strengths

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由图9(a)可以看出，C1泡沫混凝土内各测点的应变峰值均超过屈服应变0.028，应力峰值均为C1泡沫混凝土的屈服应力1 MPa^[1]；在0.13～0.30 m范围内，应变峰值出现反射增强，泡沫混凝土远端（0.29 m处）应变峰值为0.060，远低于C1泡沫混凝土的密实应变0.552^[1]。

由图9(b)可以看出，在0.09～0.21 m范围内，泡沫混凝土的应力峰值和应变峰值均未达到C3泡沫混凝土的屈服应力3 MPa和屈服应变0.026^[1]，即该范围内的泡沫混凝土处于弹性状态；而在0.17～0.30 m范围内，应变峰值出现反射增强，泡沫混凝土的远端应变峰值为0.044，远低于C3泡沫混凝土的密实应变0.373^[1]。

由图9(c)可以看出，在0.09～0.23 m范围内，泡沫混凝土的应力峰值和应变峰值均未达到C5泡沫混凝土的屈服应力5 MPa和屈服应变0.025^[1]；而在0.17～0.30 m范围内，应变峰值出现反射增强，泡沫混凝土的远端应变峰值为0.039，远低于C5泡沫混凝土的密实应变0.256^[1]。

由图9(d)可以看出，在0.05～0.30 m范围内，泡沫混凝土的应力峰值和应变峰值均未达到C10泡沫混凝土的屈服应力10 MPa和屈服应变0.033^[1]；而在0.19～0.30 m范围内，应变峰值出现反射增强，泡沫混凝土远端应变峰值为0.032，低于C10泡沫混凝土的屈服应变0.170^[1]，此时应力峰值为9.7 MPa。

由上述分析可知，相同厚度的泡沫混凝土层，泡沫混凝土强度越高，泡沫混凝土层塑性变形越小，这与2.1节中的试验结果一致。泡沫混凝土强度越高，弹性区（承受爆炸荷载后未破坏且仍处于弹性阶段的泡沫混凝土区域）的范围越大，即相比于低强度泡沫混凝土，同等条件下高强度泡沫混凝土具有更大的应变富余（较大范围的泡沫混凝土未达到屈服应变），基于第1节分析结果，此时可进一步降低泡沫混凝土层厚度。即在满足作用于主体结构上的荷载峰值不超过泡沫混凝土屈服应力的前提下，利用高强度泡沫混凝土可降低泡沫混凝土层的厚度。

图10给出了不同类型靶体主体结构层上表面沿径向的应力峰值分布。可以看出，主体结构层上表面沿径向的应力峰值呈梯形分布，选用低强度等级的泡沫混凝土不仅能降低作用在主体结构上的爆炸荷载幅值，还能使其分布更为均匀。

图  10  主体结构层上表面沿径向的应力峰值分布

Figure  10.  Peak stress distribution along the radial direction on the upper surface of the structure layer

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由图9可知，选用低强度等级的泡沫混凝土虽然能显著降低作用在主体结构上的荷载幅值，但荷载作用时间延长，仅依据荷载幅值尚不能准确评估不同强度等级的泡沫混凝土层对主体结构层的防护效果。主体结构层的损伤破坏与爆炸能量在该层的分布密切相关^[1]，图11给出了不同靶体的主体结构层总能量对比，可以看出，选用低强度等级的泡沫混凝土能显著降低透射进入主体结构层的爆炸能量，从而起到更好的防护效果。

图  11  主体结构层能量对比

Figure  11.  Comparison of energies in structure layers

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对于组合式防护结构而言，同等条件下小跨度结构抗力通常较大跨度结构的高，基于上述分析，此时可选取强度等级相对较高的泡沫混凝土，从而适当降低沫混凝土层的厚度；而对于大跨结构，选取强度等级低的泡沫混凝土，可使作用于主体结构层上的荷载更小且更均匀，从而避免其发生局部和整体破坏。

3.   分层梯度泡沫混凝土的抗爆性能

由第2节分析可知，选取低强度等级的泡沫混凝土虽能够使作用于主体结构层的爆炸荷载幅值更小且分布更为均匀，但同时会使遮弹层底部发生更为严重的震塌破坏，强度等级过低的泡沫混凝土层在遮弹层震塌碎块的冲击作用下容易引起局部应力集中，可能导致泡沫混凝土层发生破裂或贯穿，从而对主体结构层造成不利影响^[3]。

从可靠防护主体结构层的角度，若存在一种分层梯度泡沫混凝土，其上层泡沫混凝土具有较高强度等级，从而使其在降低遮弹层底部震塌破坏程度的同时能有效抵抗震塌碎块的冲击作用，其余层泡沫混凝土具有较低强度等级，从而使其能够降低作用在主体结构上的荷载幅值且分布更为均匀，这对防护结构抗爆设计十分有意义。基于此，本节首先开展分层梯度泡沫混凝土的组合式防护结构预制孔装药爆炸试验，然后利用数值模拟分析分层梯度泡沫混凝土对组合式防护结构抗爆性能的影响。

3.1   爆炸试验

分层梯度泡沫混凝土组合式防护结构预制孔装药爆炸试验基本情况同文献[1]所述，仅将厚0.5 m的C5泡沫混凝土层改为由C10、C5和C3泡沫混凝土组成的分层梯度泡沫混凝土层（0.20 m/0.15 m/0.15 m）。

图5(e)给出了试验后分层梯度泡沫混凝土的组合式防护结构靶体（简称C10/C5/C3靶体）损伤破坏情况，可以看出，其遮弹层损伤破坏情况与图5(d)所示的C10靶体遮弹层几乎完全相同。试验后经测量分层梯度泡沫混凝土层沿中心轴线方向的总厚度为0.455 m，塑性变形大于C10靶体（厚度为0.465 m），而主体结构层试验后仍完好无损，由此初步说明，具有一定厚度的分层梯度泡沫混凝土层能有效削弱爆炸波，避免主体结构层发生损伤破坏。

3.2   数值模拟

为分析分层梯度泡沫混凝土对组合式防护结构中爆炸波传播衰减规律的影响，同时便于与单一强度泡沫混凝土进行对比，特建立0.3 m厚分层梯度泡沫混凝土组合式防护结构预制孔装药爆炸数值模型，模型与图2所示相同，仅将C5沫混凝土层改为由C10、C5和C3组成的分层梯度泡沫混凝土层（0.1 m/0.1 m/0.1 m）。

图7(e)给出了数值模拟预测的C10/C5/C3靶体遮弹层损伤云图，可以看出其损伤破坏情况与图7(d)所示单一C10靶体几乎完全相同，底部震塌区范围明显小于C5和C3靶体（图7(b)~(c)）。由此说明分层梯度泡沫混凝土上部较高强度等级泡沫混凝土层（C10层）的存在能有效降低遮弹层底部震塌破坏程度。将图10给出的C10/C5/C3靶体与单一强度泡沫混凝土靶体主体结构层上表面沿径向的应力峰值分布进行对比，可以看出C10/C5/C3靶体主体结构层上表面应力峰值及其分布与单一C3靶体几乎相同。由此说明下部较低强度等级泡沫混凝土层（C3层）的存在使主体结构层上的爆炸荷载幅值更小且分布更为均匀。

图11进一步给出了C10/C5/C3靶体与单一泡沫混凝土强度靶体主体结构层总能量对比，可以看出C10/C5/C3靶体主体结构层总能量与单一C3靶体比较接近，远低于单一C10和C5靶体。图12给出了分层梯度泡沫混凝土层与单一强度混凝土层中的总能量对比，可以看出分层梯度泡沫混凝土层中的总能量明显高于单一C10、C5和C3泡沫混凝土层。由此说明分层梯度泡沫混凝土能充分发挥泡沫混凝土良好的消波特性，使更多的爆炸能量耗散在分层梯度泡沫混凝土层中。

图  12  泡沫混凝土层能量对比

Figure  12.  Comparison of total energies in different foam concrete layers

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为分析爆炸波在分层梯度泡沫混凝土各层中的传播衰减规律，图13分别给出了分层梯度泡沫混凝土层沿中心轴线方向的应力、应变峰值分布。可以看出，分层梯度泡沫混凝土中，顶部C10层近端（0.01 m处）的应力峰值为C10泡沫混凝土平台应力10 MPa，中间C5层0.10～0.15 m范围内应力峰值为5 MPa，底部C3泡沫混凝土层各点应力峰值均为3 MPa，即分层梯度泡沫混凝土中应力峰值沿中心轴线方向呈多级阶梯形下降趋势。C5层和C3层近端（0.11 m和0.21 m处）应变峰值最大，远大于C5和C3泡沫混凝土的屈服应变；C10层和C5层远端（0.09 m和0.19 m处）应变峰值最小，小于C10和C5泡沫混凝土的屈服应变；即分层梯度泡沫混凝土内部各层界面处在爆炸波作用下应变峰值发生显著变化。

图  13  爆炸波在分层梯度泡沫混凝土中的传播衰减

Figure  13.  Propagation and attenuation of blast waves in layered graded foam concrete

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由上述数值模拟结果可知，相较于单一低强度泡沫混凝土层，分层梯度泡沫混凝土可在不显著增加主体结构层总能量的情况下降低遮弹层底部震塌破坏程度，且使主体结构层上的爆炸荷载幅值及分布与单一低强度泡沫混凝土层基本相同；相较于单一高强度泡沫混凝土层，分层梯度泡沫混凝土可在不提高遮弹层底部震塌破坏程度的前提下显著降低作用在主体结构层上的爆炸荷载幅值，且使爆炸荷载在主体结构层上的分布更为均匀，从而满足组合式大跨度防护结构的使用要求。

分层梯度泡沫混凝土组合式防护结构与单一强度泡沫混凝土相比具有良好抗爆性能的实质在于，其多层梯度递减的排列方式增加了泡沫混凝土软夹层中的界面数量，并形成爆炸波从波阻抗较大介质中向波阻抗较小介质中的逐级传播，波阻抗较大一侧介质在反射拉伸波的作用下发生剥离等破坏现象，波阻抗较小一侧介质在透射压缩波的作用下产生较大塑性变形，使爆炸波在通过分层梯度泡沫混凝土界面时消耗较大比例的能量，显著降低透射波的强度，从而充分发挥泡沫混凝土良好的消波特性。

综上所述，多层梯度泡沫混凝土不仅能实现对主体结构上荷载的可控设计，还可避免因遮弹层底部发生震塌破坏给下部泡沫混凝土层和主体结构层带来的不利影响。

4.   与传统成层式结构的对比分析

为明确组合式防护结构相比采用中粗砂为分配层的传统成层式结构的优越性，将0.5、0.3和0.2 m厚泡沫混凝土层替换为相同厚度的中粗砂并保证其他参数不变，开展了相应的数值模拟，其中干燥中粗砂采用Soil and Foam模型描述，具体参数见文献[16]。

图14给出了上述3种工况下主体结构层上表面中心位置（图2中测点B-3-1）的应力时程曲线，可以看到随着中粗砂层厚度减小，荷载峰值明显增大，主体结构层上的荷载随着中粗砂层厚度的变化而变化。对比图4可知，3种不同厚度泡沫混凝土层主体结构层上的荷载均与泡沫混凝土的屈服强度相当，且当厚度较小时，含泡沫混凝土层的组合式防护结构主体结构层上的荷载峰值明显低于以中粗砂为分配层的传统成层式结构主体结构层上的荷载。另外，传统成层式结构采用的中粗砂通常就地取材，材料力学性能不易控制且差异大，导致难以准确确定传统成层式结构的主体结构荷载。

图  14  不同厚度中粗砂层分配层主体结构层测点的应力时程曲线

Figure  14.  Stress-time histories of gauges in structure layer with different thicknesses of medium-coarse sand layer

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5.   主体结构荷载可控的设计理念

在上述抗爆机制分析、泡沫混凝土厚度和强度影响规律及与传统成层式结构对比分析的基础上，可总结归纳出含泡沫混凝土层的组合式防护结构的设计理念及优势。

(1)泡沫混凝土层的作用。传统成层式结构中，分配层主要起分散爆炸荷载，不使主体结构发生局部破坏的作用。而组合式防护结构中的泡沫混凝土层主要起波阻抗失配和消波作用，通过合理配置泡沫混凝土层的厚度和强度，可调控爆炸能量的分配，使得大部分爆炸能量消耗在遮弹层，大幅度减小作用于主体结构上的能量和荷载。从该角度出发，宜定义泡沫混凝土层为能量调控层。

(2)主体结构荷载可控的理念。传统成层式结构中，分配层通常采用就地取材的中粗砂，材料力学性能不易控制且差异大，不易控制作用于主体结构上的荷载。而组合式防护结构采用泡沫混凝土，通常按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土规范》^[15]施工，材料力学性能可得到可靠保证。这样，利用泡沫混凝土材料较长的屈服平台，通过设计泡沫混凝土强度等级（或密度等级，与强度呈一一对应关系）和厚度，可使得作用于主体结构上的爆炸荷载峰值恰为泡沫混凝土屈服强度，实现对主体结构上荷载的可控设计。

(3)针对不同跨度主体结构的应用。工程实际中，可首先根据主体结构跨度选取能量调控层泡沫混凝土强度，如针对小跨度结构，其抗力通常较高，可选取强度标号相对较高的泡沫混凝土；而对于大跨度结构，可选取强度标号较低或梯度泡沫混凝土。然后可根据爆炸荷载和选定的泡沫混凝土强度对能量调控层厚度进行设计，工程应用非常方便。

(4)分层梯度泡沫混凝土良好的消波吸能特性。利用碱激发泡沫混凝土施工方便且性能可控的特点，以分层梯度泡沫混凝土作为能量调控层，可充分发挥泡沫混凝土良好的消波耗能特性，可在实现对主体结构上荷载的可控设计的同时，避免因遮弹层底部发生较为严重的震塌破坏给下部泡沫混凝土层和主体结构层带来的不利影响。

注意到组合式防护结构设计理念中的关键在于泡沫混凝土能量调控层，其强度和厚度的设计是能量调控和主体结构荷载可控设计的基础，该问题已在文献[14]中进行细致讨论分析并给出了厚度的设计计算方法。

6.   结　论

为明确泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响，充分发挥和合理利用泡沫混凝土良好的消波特性，本文中首先通过试验及数值模拟探讨泡沫混凝土厚度和强度对组合式防护结构抗爆性能的影响，并分析了分层梯度泡沫混凝土在爆炸波作用下的消波特性。然后将组合式防护结构与采用中粗砂为分配层的传统成层式结构进行对比分析，验证其优越性，在此基础上，总结凝练出组合式防护结构的主体结构荷载可控的设计理念，得到如下主要结论。

(1)泡沫混凝土层应用于组合式防护结构时，存在一个临界厚度，当泡沫混凝土层厚度大于该临界厚度时，作用于主体结构层的爆炸荷载峰值均不超过泡沫混凝土材料的屈服应力。

(2)在满足作用于主体结构上的荷载不超过泡沫混凝土的屈服应力的前提下，利用高强度泡沫混凝土可降低泡沫混凝土层的厚度；选用低强度等级的泡沫混凝土不仅能降低作用在主体结构上的爆炸荷载幅值，还可使其分布更为均匀。

(3)分层梯度泡沫混凝土可充分发挥泡沫混凝土良好的消波吸能特性，在实现对主体结构上荷载的可控设计的同时避免因遮弹层发生较为严重的震塌破坏给泡沫混凝土层和主体结构层带来的不利影响。

(4)新型组合式防护结构设计理念的关键在于泡沫混凝土能量调控层，利用泡沫混凝土材料较长的屈服平台和较低的波阻抗，通过设计泡沫混凝土强度等级（密度等级）和厚度，可使得作用于主体结构上的爆炸荷载峰值恰为泡沫混凝土的屈服强度，实现对主体结构上荷载的可控设计，有效解决了中粗砂为分配层的传统成层式结构不易控制作用于主体结构上荷载的问题。