CN113513204B - 一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构及安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构及安装方法，包括骨架结构组件、若干内嵌轻质面板，其特征在于，内嵌轻质面板为采用高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构构成的预制构件，通过轻质高强玄武岩纤维复合型材与高强螺栓将内嵌轻质面板连接组合在一起形成底部敞开的长方体结构，长方体结构的内部空间用作临时军营或保护军事相关材料设备。本发明创造性地以玄武岩复合型材为主体框架，以轻质高强梯度抗爆板为内嵌轻质面板，面板与主体框架用高强螺栓进行连接形成装配式抗爆防弹应急防护结构，轻量化，整体性较好，便于安装和拆卸，运输方便，组装快捷，外形尺寸符合集装箱装箱要求，能够达到临时性营地防护安全标准。

Description

一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构及安装方法
技术领域
本发明涉及一种框架结构抗爆防弹应急防护结构及安装方法，属于防护结构技术领域。
背景技术
为了防止结构损伤，破坏甚至倒塌，科研工作者们致力于研究建筑结构的防护措施以避免结构发生连续的倒塌，在结构的外部附加抗爆防护措施(防爆墙)，通过其吸收和反射爆炸冲击波能量来减小对结构的损害，但是此防护设施的费用较高。因此，有必要研究一种利用结构自身进行抗爆然后进行其优化设计。
目前，我国的建筑结构围护构件普遍采用砌体材料进行砌筑，但是整体性较差，在爆炸荷载作用下会产生大量的碎片，这严重威胁室内人员的财产和生命安全。当前，一种新型的抗爆墙结构涌现，其中此抗爆墙以龙骨框架结构为抗爆板提供支撑，可以增加抗爆墙结构的强度和保护范围，填充墙为多层复合抗爆板，芯层为纤维混凝土，外侧包有镀锌钢板，经过冲压制成纤维混凝土金属复合板。
此抗爆墙结构具有抗爆能力强，延性和韧性较好，但是存在质量重、体积大、整体性较差的缺点。因此，需要研究一种抗爆性能优良、轻质、便于快速安装的抗爆围护墙体。
发明内容
为了解决现有技术上抗爆复合结构整体性较差、质量重、抗爆性能差等一系列问题，本发明公开了一种装配式抗爆防弹应急防护结构及安装方法以实现对临时性军事工程的防护。
为了实现此防护结构的设计，拟采用以下技术方案：
一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构，包括骨架结构组件、若干内嵌轻质面板，其特征在于，内嵌轻质面板为采用高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构构成的预制构件，通过轻质高强玄武岩纤维复合型材与高强螺栓将内嵌轻质面板连接组合在一起形成底部敞开的长方体结构，长方体结构的内部空间用作临时军营或保护军事相关材料设备。
所述骨架结构组件，包括底部骨架结构、侧部骨架结构、顶部骨架结构；
底部骨架结构，由两组横、纵向玄武岩槽型钢围成的长方形框架支撑构成，这种框架支撑与地面锚固，且长方形框架底部敞开；横、纵向玄武岩槽型钢的槽口均朝上设置；
侧部骨架结构，包括竖向玄武岩槽型钢、顶部的横向玄武岩槽型钢、顶部的纵向玄武岩槽型钢及若干个竖向玄武岩工字型钢，在底部骨架结构中的两个纵向玄武岩槽型钢两端垂直布置竖向玄武岩槽型钢，竖向玄武岩槽型钢的顶部也对应的连接横、纵向玄武岩槽型钢，使顶部形成与底部骨架结构一样的框架支撑；八根竖向玄武岩槽型钢形成长方体结构的垂直于底面的四个棱长，然后在两个竖向玄武岩槽型钢之间布置若干竖向玄武岩工字型钢，所有竖向玄武岩工字型钢和竖向玄武岩槽型钢均平行；在相邻竖向玄武岩工字型钢之间、竖向玄武岩工字型钢与竖向玄武岩槽型钢之间布置若干短纵向玄武岩工字型钢，所有短纵向玄武岩工字型钢均等长度，短纵向玄武岩工字型钢的两端分别与邻近的竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢之间进行焊接，短纵向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢及横、纵向玄武岩槽型钢、围成的区域内安装内嵌轻质面板，相邻两面侧部骨架结构内、外侧平齐；在相邻两侧面的交界区域，通过内外侧的两个直角连接板将两侧面交界位置的两个对应内嵌轻质面板连接在一起；连接板与内嵌轻质面板的连接处采用胶栓混合连接，所述胶栓混合连接即用高韧性胶在连接板与两侧面界面交接处的内嵌轻质面板进行连接，然后在内嵌轻质面板沿厚度方向将内外侧的两个对应连接板进行高强螺栓的连接，从而使侧部骨架结构与底部骨架结构形成一个整体；
顶部骨架结构，由长纵向玄武岩工字型钢与若干根横向玄武岩工字型钢组成，长纵向玄武岩工字型钢的长度与框架结构长度相等，长纵向玄武岩工字型钢的数量为至少一个，多个长纵向玄武岩工字型钢之间的间距与内嵌轻质面板的长度一致，长纵向玄武岩工字型钢的两端与顶部的两个横向玄武岩槽型钢焊接固定；在顶部的两个横向玄武岩槽型钢之间布置若干数量的横向玄武岩工字型钢，横向玄武岩工字型钢的两端分别与顶部的纵向玄武岩槽型钢、长纵向玄武岩工字型钢平整连接，且横向玄武岩工字型钢沿着长纵向玄武岩工字型钢按一定距离布置，形成平整连接面；在横向玄武岩槽型钢、顶部长纵向玄武岩工字型钢与纵向玄武岩槽型钢之间的区域内安装内嵌轻质面板。
所述连接板为与内嵌轻质面板等高的直角连接件，铺一组高度后连接一次；或者连接板为与竖向玄武岩槽型钢等高，在侧部所有内嵌轻质面板安装好后整体通过胶栓混合连接固定在相邻侧面的交界处。
所述内嵌轻质面板包括不同密度的泡沫铝组成的泡沫铝夹芯层、夹在夹芯层上下的对位芳纶纤维复合材料；所需每层泡沫铝厚度为10mm～20mm，密度范围为0.20g/cm3～0.60g/cm3，泡沫铝夹芯层中每层泡沫铝密度按照0.25～0.35g/cm3、0.35～0.45g/cm3、0.45～0.55g/cm3的方式进行设置；所需对位芳纶纤维厚度为0.30±0.05mm～0.32±0.05mm，断裂强力经向为 8000N/50mm～8500N/50mm，纬向为9000N/50mm～9200N/50mm，断裂伸长率在6％以内，并且织物表面平整光滑，没有明显的起毛；泡沫铝与强度较高的对位芳纶纤维复合面料薄板组成轻质高强面板，夹芯层和薄板之间采用界面粘结剂而成；所述界面粘结剂成分为环氧树脂E51：稀释剂501：固化剂T-5：增韧剂QS-020N：硅烷偶联剂KH-560＝100：15：15：30： 1。
泡沫铝夹芯层的密度梯度系数绝对值为0.4-0.8。
泡沫铝夹芯层的每层泡沫铝密度为0.33g/cm3、0.44g/cm3、0.55g/cm3。
该防护结构的爆距不大于5m，优选5-1m，TNT当量能达到1kg以内，优选TNT当量500-1000g。
本发明还保护一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构的安装方法，该安装方法包括：
(1)根据设计尺寸，加工所需的型材，包括横向玄武岩槽型钢、纵向玄武岩槽型钢、横向玄武岩工字型钢、短纵向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩槽型钢、内嵌轻质面板、长纵向玄武岩工字型钢、连接板；
(2)安装由两个纵向玄武岩槽型钢、和两个横向玄武岩槽型钢组成的底部骨架结构，使槽口朝上，从而形成长方形框架支撑结构；
(3)接着沿底部骨架结构中的纵向玄武岩槽型钢和/或横向玄武岩槽型钢的两端垂直布置竖向玄武岩槽型钢，在超过一个内嵌轻质面板宽度的两个相邻竖向玄武岩槽型钢之间平行布置若干竖向玄武岩工字型钢，然后在相邻竖向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩槽型钢与竖向玄武岩工字型钢之间底部安装内嵌轻质面板，在竖向玄武岩槽型钢两侧的内嵌轻质面板与相邻的竖向玄武岩槽型钢之间利用胶栓混合连接；
(4)安装一组内嵌轻质面板接着再安装短纵向玄武岩工字型钢，短纵向玄武岩工字型钢两端与相邻的竖向玄武岩槽型钢和/或竖向玄武岩工字型钢焊接在一起，使得内嵌轻质面板紧紧卡接在短纵向玄武岩工字型钢内，然后短纵向玄武岩工字型钢的两端分别与竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢进行焊接；重复上述过程安装下一组内嵌轻质面板，同组的内嵌轻质面板等高度；当达到规定高度后在最后一组内嵌轻质面板上安装顶部的纵向玄武岩槽型钢和顶部的横向玄武岩槽型钢，形成完整侧部骨架结构；
(5)在垂直于顶部的两个横向玄武岩槽型钢之间焊接长纵向玄武岩工字型钢，长纵向玄武岩工字型钢的长度与预计制作的长方体的宽度、内嵌轻质面板的尺寸有关，相邻长纵向玄武岩工字型钢之间的距离与内嵌轻质面板的长度相同；然后在顶部的纵向玄武岩槽型钢和顶部的横向玄武岩槽型钢、长纵向玄武岩工字型钢之间安装一组内嵌轻质面板；在一组内嵌轻质面板安装后，再沿平行顶部的横向玄武岩槽型钢的方向焊接一根横向玄武岩工字型钢，横向玄武岩工字型钢的两端与顶部的纵向玄武岩槽型钢焊接，且穿过长纵向玄武岩工字型钢保持平整连接；再安装下一组内嵌轻质面板，如此重复，完成顶部内嵌轻质面板的安装。
由于本发明采用以上技术方案，因此具有以下优点：
1.本发明创造性地以玄武岩复合型材为主体框架，以轻质高强梯度抗爆板为内嵌轻质面板，面板与主体框架用高强螺栓进行连接形成装配式抗爆防弹应急防护结构，轻量化，整体性较好，便于安装和拆卸，运输方便，组装快捷，外形尺寸符合集装箱装箱要求，能够达到临时性营地防护安全标准。
2.与传统结构材料(钢材、混凝土)相比，玄武岩纤维复合型材具有轻质高强的特点，比强度很高，作为结构主要用材可有效减轻结构自重，进而可在一定程度上降低整个建筑或构筑物用于基础的费用，并且由于其轻质便携，施工效率明显提高。
3.与现有的装配式结构相比，此结构主要应用在临时军事防御工程中，且结构主体增加必要工程附加设施后，可抗非接触式爆炸冲击，防护面板可防枪弹在大于300m距离上的贯穿，且应急防护结构所有预制件总重≤3t，单件最大重量≤50kg；构筑时间≤8h，可大大缩短施工时间，实现快速应急防护的目的。
4.本结构采用的连接方式为胶栓混接，此种连接综合了胶接和螺栓连接的优点，刚度大、延性好，承载力比螺栓连接也有所提高。
5.装配式结构自重轻，当框架结构中有AFS板(具有泡沫铝夹芯结构的三明治结构面板) 时，AFS板具有以柔克刚、消耗爆炸冲击波作用的能力，AFS板具有与砌体结构相当的抗拉能力，对位芳纶纤维复合材料作为AFS板的上下面板具有很高的抗拉能力，且AFS板具有良好的保温、隔声效果，吸收冲击波优良性能，满足临时防护要求。相比薄壁轻钢安装保温板的墙体属于松散构造的墙体，消耗冲击波作用的能力差，没有辅助建筑主体结构抗侧移能力。安装纤维面层的装配式墙体与当前框架结构安装薄壁轻钢的装配式墙体比，抵抗水平荷载能力的安全性相差悬殊，故本专利可用于临时军事防护结构，且耗用钢材较少，并比安装薄壁轻钢的装配式墙体大幅度降低造价。
6.本发明中应用特定密度梯度系数的夹芯层及界面粘结剂，能够显著提高防护结构的防爆性能、抗弯、抗拉性能。
附图说明
图1是本发明轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构中骨架结构组件的示意图。
图2是本发明内嵌轻质面板10的断面结构示意图。
图3是本发明连接板和内嵌轻质面板的连接方式示意图。
图4是本发明轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构的实物图。
图5是玄武岩纤维复合型材低速冲击0度时的时间-应变曲线图。
图6是玄武岩纤维复合型材低速冲击90度时的时间-应变曲线图。
图7是连接板与内嵌轻质面板不同连接方式的荷载-位移曲线对比图。
图8是不同炸药量下泡沫铝夹芯板后面板中心挠度峰值随相对密度比的变化图。
图9是泡沫铝夹芯板上、下面板中心塑性变形值图。
图10是不同芯层配置下夹层板能量耗散对比图。
其中，1为底部骨架结构、2为侧部骨架结构、3为顶部骨架结构、4为横向玄武岩槽型钢、 5为纵向玄武岩槽型钢、6为横向玄武岩工字型钢、7为纵向玄武岩工字型钢、8为竖向玄武岩工字型钢、9为竖向玄武岩槽型钢、10为内嵌轻质面板、11为长纵向玄武岩工字型钢、12 连接板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明框架结构抗爆防弹应急防护结构做更详细的说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
如图1所示，本发明为一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构，包括骨架结构组件、内嵌轻质面板，若干玄武岩槽型钢、若干玄武岩工字型钢，若干连接板、高强螺栓、若干内嵌轻质面板构成框架复合结构。其中玄武岩槽型钢、玄武岩工字型钢均有横、纵向两种放置方式。玄武岩纤维复合材料(BFRP)制备的型材是由玄武岩纤维与树脂基体按一定比例混合并经过一定成型工艺形成的轻质高性能型材。纤维是型材受力的主体，基体的作用是将纤维丝束联系起来形成有机的整体，协同受力，纤维和树脂的性能共同决定了型材的宏观力学性能。内嵌轻质面板为采用高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构构成的预制构件，通过轻质高强玄武岩纤维复合型材与高强螺栓将内嵌轻质面板10连接组合在一起形成底部敞开的长方体结构，长方体结构的内部空间可用作临时军营或保护军事相关材料设备。
骨架结构组件，包括底部骨架结构1、侧部骨架结构2、顶部骨架结构3三部分。其中：
底部骨架结构1，由两组横、纵向玄武岩槽型钢4、5围成的长方形框架支撑构成，这种框架支撑与地面锚固，且长方形框架底部敞开。横、纵向玄武岩槽型钢4、5的槽口均朝上设置，槽型钢的槽口朝上设置主要目的是为了与竖向玄武岩工字型钢8进行卡槽连接，固定连接方式主要是焊接。
侧部骨架结构2，包括八根竖向玄武岩槽型钢9、六根横向玄武岩槽型钢4、十二根纵向玄武岩槽型钢5及若干个竖向玄武岩工字型钢8，在底部骨架结构1中的两个纵向玄武岩槽型钢5两端垂直布置竖向玄武岩槽型钢9，竖向玄武岩槽型钢9的顶部也对应的连接横、纵向玄武岩槽型钢4、5，使顶部形成与底部骨架结构一样的框架支撑，八根竖向玄武岩槽型钢 9形成长方体结构的垂直于底面的四个棱长，然后在两个竖向玄武岩槽型钢9之间布置若干竖向玄武岩工字型钢8，所有竖向玄武岩工字型钢8和竖向玄武岩槽型钢9均平行。在相邻竖向玄武岩工字型钢8之间、竖向玄武岩工字型钢8与竖向玄武岩槽型钢9之间布置若干短纵向玄武岩工字型钢7，所有短纵向玄武岩工字型钢7均等长度，短纵向玄武岩工字型钢7的两端分别与邻近的竖向玄武岩工字型钢8和/或竖向玄武岩槽型钢9之间进行焊接，短纵向玄武岩工字型钢7、竖向玄武岩工字型钢8和/或竖向玄武岩槽型钢9及横、纵向玄武岩槽型钢4、5围成的区域内安装内嵌轻质面板10，相邻两面侧部骨架结构内、外侧平齐；在相邻两侧面的交界区域，通过内外侧的两个直角连接板将两侧面交界位置的两个对应内嵌轻质面板10垂直连接在一起；连接板与内嵌轻质面板的连接处采用胶栓混合连接，所述胶栓混合连接即用高韧性胶在连接板与两侧面界面交接处的内嵌轻质面板进行连接，然后在内嵌轻质面板10沿厚度方向将内外侧的两个对应连接板进行高强螺栓的连接，从而使侧部骨架结构与底部骨架结构形成一个整体。连接板可以是与内嵌轻质面板等高的直角连接件，铺一组高度后连接一次，或者连接板为与竖向玄武岩槽型钢9等高，在侧部所有内嵌轻质面板安装好后整体通过胶栓混合连接固定在相邻侧面的交界处。
顶部骨架结构3，由一根长纵向玄武岩工字型钢11与若干根横向玄武岩工字型钢6组成，长纵向玄武岩工字型钢11的长度与框架结构长度相等，作为顶部的一根长纵向玄武岩工字型钢，方便横向玄武岩工字钢6的安装，及后期方便内部轻质面板的嵌入。长纵向玄武岩工字型钢11的两端与顶部的两个横向玄武岩槽型钢4中部焊接固定；在顶部的两个横向玄武岩槽型钢4之间布置若干数量的横向玄武岩工字型钢6，横向玄武岩工字型钢6的两端分别与顶部的纵向玄武岩槽型钢5、长纵向玄武岩工字型钢11平整连接，且多个横向玄武岩工字型钢 6沿着长纵向玄武岩工字型钢11长度方向按一定距离布置，形成平整连接面。在横向玄武岩槽型钢4、顶部长纵向玄武岩工字型钢11与纵向玄武岩槽型钢5之间的区域内安装内嵌轻质面板10。
本发明中长方体结构的外侧垂直对齐，使得顶部、侧部、底部框架结构形成一个整体。此轻量化装配式防护结构采用预制的轻质高强玄武岩复合型材(包括槽型钢和工字型钢)与内嵌轻质面板在临时性营地进行现场快速拼接安装，通过高强韧性胶在内嵌轻质面板与连接板之间进行连接，然后用高强螺栓连接以增强轻量化组合结构整体性能。
内嵌轻质面板10由不同密度的泡沫铝、对位芳纶纤维复合材料、环氧胶组成。
本发明所需每层泡沫铝厚度为10mm～20mm，密度范围为0.20g/cm3～0.60g/cm3，是一种以铝和铝合金为骨架，含大量胞孔的三维多孔金属材料。具有良好的隔热阻燃性能，强度高，质量轻，具备优良的缓冲吸能特性。泡沫铝夹芯层中每层泡沫铝密度范围为 0.25～0.35g/cm3、0.35～0.45g/cm3、0.45～0.55g/cm3。本发明每层泡沫铝密度范围完全按照低密度、中密度、高密度范围来决定的。梯度组合结构中作为夹芯结构的泡沫铝不同密度的合理配置对抗爆性能也有很大的影响，密度梯度系数绝对值为0.4-0.8，优选负梯度系数。对位芳纶纤维复合材料是由对位芳纶纤维通过一定比例树脂粘合，经由模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。本发明所需对位芳纶纤维厚度为0.30±0.05mm～0.32±0.05mm，断裂强力经向为8000N/50mm～8500N/50mm，纬向为9000N/50mm～9200N/50mm，断裂伸长率在6％以内，并且织物表面平整光滑，没有明显的起毛。泡沫铝与强度较高的对位芳纶纤维复合面料薄板组成轻质高强面板，夹芯层和薄板之间采用界面粘结剂而成。所述界面粘结剂成分为环氧树脂E51：稀释剂501：固化剂T-5：增韧剂QS-020N：硅烷偶联剂KH-560＝100：15：15：30：1，此配方制备的内嵌轻质面板的抗拉强度(49Mpa)相对申请人之前的申请提高了近36％，抗弯强度提高了近17％。
图3中主要为胶栓混接的示意图，主要说明高韧性胶在内嵌轻质面板与内外连接板界面处使用，然后再用高强螺栓连接内外连接板，使其成为一个整体，从而提高结构的承载能力。
在所述的侧部骨架结构与顶部骨架结构内部设置有轻质面板，本发明轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构的安装方法是：
(1)根据设计尺寸，加工所需的型材，包括横向玄武岩槽型钢4、纵向玄武岩槽型钢5、横向玄武岩工字型钢6、短纵向玄武岩工字型钢7、竖向玄武岩工字型钢8、竖向玄武岩槽型钢 9、内嵌轻质面板10、长纵向玄武岩工字型钢11、连接板12；
(2)安装由两个纵向玄武岩槽型钢、和两个横向玄武岩槽型钢组成的底部骨架结构，使槽口朝上，从而形成长方形框架支撑结构；
(3)接着沿底部骨架结构中的纵向玄武岩槽型钢5和横向玄武岩槽型钢4的两端均垂直布置竖向玄武岩槽型钢9，共布置八根竖向玄武岩槽型钢9(5和4上的相邻的两根竖向玄武岩槽型钢9为一组，共有四组)，在相邻两组竖向玄武岩槽型钢之间平行布置若干竖向玄武岩工字型钢8，然后在相邻竖向玄武岩工字型钢8、竖向玄武岩槽型钢9与竖向玄武岩工字型钢8 之间底部安装内嵌轻质面板10，在竖向玄武岩槽型钢9两侧的内嵌轻质面板10与相邻的竖向玄武岩槽型钢9之间利用胶栓混合连接。
(4)安装一组内嵌轻质面板10接着再安装短纵向玄武岩工字型钢7，短纵向玄武岩工字型钢7两端与相邻的竖向玄武岩槽型钢9和/或竖向玄武岩工字型钢8焊接在一起，使得内嵌轻质面板紧紧卡接在短纵向玄武岩工字型钢7内，此处的卡接指的是短纵向玄武岩工字型钢7 卡接在内嵌轻质面板10上，然后短纵向玄武岩工字型钢7的两端分别与竖向玄武岩工字型钢 8和/或竖向玄武岩槽型钢9进行焊接。重复上述过程安装下一组内嵌轻质面板，同组的内嵌轻质面板等高度；当达到规定高度后在最后一组内嵌轻质面板上安装顶部的纵向玄武岩槽型钢5和顶部的横向玄武岩槽型钢4，形成完整侧部骨架结构。
(5)在垂直于顶部的两个横向玄武岩槽型钢4之间焊接长纵向玄武岩工字型钢11，长纵向玄武岩工字型钢11的长度与预计制作的长方体的宽度、内嵌轻质面板的尺寸有关，相邻长纵向玄武岩工字型钢11之间的距离与内嵌轻质面板的长度相同；然后在顶部的纵向玄武岩槽型钢5和顶部的横向玄武岩槽型钢4、长纵向玄武岩工字型钢11之间安装一组内嵌轻质面板10；在一组内嵌轻质面板安装后，再沿平行顶部的横向玄武岩槽型钢4的方向焊接一根横向玄武岩工字型钢6，横向玄武岩工字型钢6的两端与顶部的纵向玄武岩槽型钢5焊接，且穿过长纵向玄武岩工字型钢11保持平整连接；再安装下一组内嵌轻质面板，如此重复，完成顶部内嵌轻质面板的安装。
为研究此轻量化装配式防护结构的整体性能，开展了以下试验：
试验一为连续玄武岩纤维复合板，所述玄武岩纤维复合板主要指的是由玄武岩纤维复合材料制备的型材，主要包括本发明所提及的玄武岩槽型钢、玄武岩工字型钢等，低速冲击实验，通过控制Hopkinson杆的发射气压来控制弹体的冲击速度，弹体的冲击速度分别为32m/s、 41.2m/s和58.2m/s。为评估弹体速度对监测点各方向应变影响，将不同速度下相同角度的应变绘制在同一坐标中，研究连续玄武岩纤维复合型材的抗冲击性能。
图5所示为玄武岩纤维复合型材在低速冲击下的应变-时间关系图：
注：从图5可以看出，随着速度的提高，0度方向的应变呈现出逐渐弱化的趋势，而从图6可以看出，弹体速度对90度方向的拉伸应变影响较为明显。通过应变的对比可以看出， 0度方向的应变对抑制纤维材料复合板的压缩变形较为明显，对拉伸变形的影响随着速度的增强而减弱，而90度方向的应变对纤维材料复合板拉伸变形影响较为明显，除此之外，也表现出了较为明显的应变率效应，能承受的较大的变形，具有较好的抗冲击性能。
试验二针对FRP的不同连接方式(胶接、螺栓连接和胶栓混接)进行对比分析，研究不同连接方式的性能变化情况。
注：从图7的荷载-位移曲线可以看出，胶接和混接初始连接刚度大致相同，在位移为 0.5mm时，即荷载达到30kN左右时，在剪力和剥离力的共同作用下胶接和混接端部都开始发生开裂，并且加载时发出胶层开裂的声音。两者之间不同的是，由于胶层端部应力集中较为严重，如果继续加载，胶接中整个胶层会迅速完全剥离，承载力较低。而在混接中，当荷载小于35kN时，胶层尚未剥离至螺栓附近，荷载主要由胶层承担；继续加载，在相对位移达到1.3mm之前，即荷载在35kN～55kN时，螺栓和胶层共同承力，刚度几乎保持不变；在荷载达到55kN时，胶层全部贯通，形成贯通的缝隙，此时荷载全部由螺栓来承担，荷载降低至40kN左右；继续加载时，荷载上升，但是刚度有所降低。对于螺栓连接，由于预钻的栓孔比螺栓直径大2mm，所以在加载开始的时候螺栓几乎不受力，荷载由摩擦力来承担。由于施工方面的误差，位移在0mm～4mm内时，螺栓并不能共同受力。在相对位移达到4mm 时，连接刚度开始增加，当加载至91kN时连接发生破坏。从以上对比可以看出，混合连接综合了胶接和栓接的优点，承载力高，刚度大。
试验三研究了不同梯度面板的抗爆性能，设计了两种密度梯度不同的面板结构。在爆距 800mm、1KgTNT下，通过能量吸收角度与背爆板中心处的塑性变形值衡量不同面板结构的抗爆性能。均以对位芳纶纤维复合材料面板作为上下面板，其中一种是以0.26g/cm3、 0.38g/cm3、0.44g/cm3三层不同密度作为内芯结构，另一种以三层泡沫铝作为内芯结构，其中三层泡沫铝密度为0.33g/cm3、0.44g/cm3、0.55g/cm3。
图9所示为两种不同密度梯度泡沫铝在同一爆距、TNT当量下前后面板的中心塑性变形值。其中GF1代表以0.26g/cm3、0.38g/cm3、0.44g/cm3作为夹芯结构的三明治结构面板(密度梯度系数(0.37)在0.4以下)，GF2代表以0.33g/cm3、0.44g/cm3、0.55g/cm3作为夹芯结构的三明治面板(密度梯度系数0.75)，本实施例中以界面粘结剂一样。
注：由图9可知，泡沫铝夹层板上面板中心处塑性变形值差别不大。泡沫铝夹层板下面板中心处塑性变形差别较大，以密度梯度泡沫铝夹层板试件GF1为基准，试件GF2的下面板中心处塑性变形值最小，比基准试件小9.63％。与试件GF1相比，试件GF2由于芯层排列顺序为从上面板到下面板依次是低密度芯层、中密度芯层和高密度芯层，在爆炸冲击波载荷作用下，密度较高的芯层会对密度较低的芯层起到较好的作用，导致密度较低的芯层会产生更大的压缩变形，从而充分发挥三层泡沫铝芯层的吸能作用，因此试件GF2的下面板中心处塑形变形最小。整体上，以下面板变形程度作为抗爆性能指标，芯层排列顺序为从上面板到下面板密度依次递增的泡沫铝夹层板，且梯度系数绝对值在0.4-0.8之间，抗爆效果最好。
图10所示为不同芯层配置下夹层板能量耗散对比图
注：图10分析可得：GF2梯度泡沫铝夹芯板能量耗散特性明显比GF1要好。引发该现象的原因为在相同爆距下，由于爆炸冲击波载荷很强，导致密度梯度泡沫铝芯层都出现了密实化现象，且高密度泡沫铝的平台应力较低密度的平台应力要高，因此当泡沫铝芯层都密实化后，高平台应力的泡沫铝材料会吸收更多的能量，且由于上下对位芳纶纤维复合面板的超高韧性与强度，也可以耗散较多的冲击波能量。因此，密度梯度泡沫铝作为夹芯结构，且梯度泡沫铝的合理配置能有效耗散更多的冲击波能量。
试验四为了研究不同爆炸载荷对GF2梯度泡沫铝夹芯结构抗爆性能的影响，设计了在爆距不变的情况下调整TNT炸药量，分别选取了200gTNT、350gTNT和500gTNT三组炸药当量，然后对其抗爆性能进行分析。
图8所示为泡沫铝夹芯板后面板中心挠度峰值随相对密度比的变化规律示意图：
注：在炸药量为200gTNT的情况下，当相对密度比大于60％时后面板挠度峰值的变化并不明显，曲线图中表现为一个比较长的平台阶段，在炸药量为350gTNT的情况下也出现了平台阶段，与200gTNT的情况相比，平台阶段缩短，而炸药量为500gTNT的情况下并未出现明显的平台阶段，这充分说明在相同爆距的情况下，一定范围内的高炸药量的爆炸冲击比低炸药量的爆炸冲击对结构梯度的敏感性更强。三组情况都出现了挠度峰值最小的最优点， 200gTNT炸药量的情况下最优点出现在相对密度比为40％时，350gTNT炸药量的情况下最优点出现在相对密度比为50％时，两组对比可以发现随着炸药量的增加，抗爆性能的最优点出现了明显的前移，虽然500gTNT炸药时最优点也出现在相对密度比为50％时，相对密度比在 80％时和50％之间挠度峰值变化并不明显，所以与前两组对比500gTNT炸药量时最优点也有前移的趋势，这也从另一方面表现出，在一定范围内高炸药量的爆炸冲击比低炸药量的爆炸冲击对密度梯度泡沫铝结构梯度的敏感性更强，抵抗冲击波的能力强，且实验表明，本实施例内嵌轻质面板能抵抗1000gTNT炸药量。
本发明所公开的以玄武岩复合型材为主体框架，以泡沫铝与对位芳纶纤维组成高韧性纤维抗爆复合结构，从而组成一种高比强度性能，高抗爆的复合框架结构，此框架结构利用玄武岩纤维的轻质、高强特性，通过树脂粘合提高韧性，实现多种玄武岩纤维复合型材制备，同时保证其具备足够的抗爆与抗侵彻性能，抗侵彻性能主要是指防枪弹贯穿的性能，且该框架结构可防300m距离上的贯穿；通过使用泡沫铝作为面板核心层，并在两侧粘贴高强对位芳纶纤维复合板形成轻质面板，达到多层次、多机理的防弹抗爆耗能防护效果；通过预制构件的合理配置，为结构整体提供足够的平面内强度、地面锚固刚度与抗侧刚度，保证结构的防护效果，抗爆复合结构防护效果主要看在防护面板在爆炸冲击波作用下的动力响应，参考美军81mmM362A1，弹重4.27Kg，装药0.95Kg的TNT当量，本申请防护效果可防枪弹大于 300m距离上的贯穿且可防护相当于5m爆距；本申请能远远超过这一防护效果，爆距不大于 5m，优选5-1m，TNT当量能达到1kg以内。
和目前已公开的以均匀泡沫铝作为结构内芯的抗爆复合面板及以金属板(钢板、铝板) 作为上下面板结构相比，本专利提出的面板结构主要借助对位芳纶纤维的超高韧性与拉伸性能，把爆炸冲击波转化为分布荷载，然后通过不同孔隙率的泡沫铝消耗大量爆炸能，最后呈现的破坏为韧性破坏；采用预制的轻质高强复合型材与面板在临时性营地进行现场快速拼接安装，通过高强螺栓连接关键节点以增强轻量化组合结构整体性能，达到针对不同防护指标快速施工响应、对既有对象快速抗爆防护的目的。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构，包括骨架结构组件、若干内嵌轻质面板，其特征在于，内嵌轻质面板为采用高韧性纤维增强泡沫铝梯度抗爆复合结构构成的预制构件，通过轻质高强玄武岩纤维复合型材与高强螺栓将内嵌轻质面板连接组合在一起形成底部敞开的长方体结构，长方体结构的内部空间用作临时军营或保护军事相关材料设备；
所述骨架结构组件，包括底部骨架结构、侧部骨架结构、顶部骨架结构；
底部骨架结构，由两组横、纵向玄武岩槽型钢围成的长方形框架支撑构成，这种框架支撑与地面锚固，且长方形框架底部敞开；横、纵向玄武岩槽型钢的槽口均朝上设置；
侧部骨架结构，包括竖向玄武岩槽型钢、顶部的横向玄武岩槽型钢、顶部的纵向玄武岩槽型钢及若干个竖向玄武岩工字型钢，在底部骨架结构中的两个纵向玄武岩槽型钢两端垂直布置竖向玄武岩槽型钢，竖向玄武岩槽型钢的顶部也对应的连接横、纵向玄武岩槽型钢，使顶部形成与底部骨架结构一样的框架支撑；八根竖向玄武岩槽型钢形成长方体结构的垂直于底面的四个棱长，然后在两个竖向玄武岩槽型钢之间布置若干竖向玄武岩工字型钢，所有竖向玄武岩工字型钢和竖向玄武岩槽型钢均平行；在相邻竖向玄武岩工字型钢之间、竖向玄武岩工字型钢与竖向玄武岩槽型钢之间布置若干短纵向玄武岩工字型钢，所有短纵向玄武岩工字型钢均等长度，短纵向玄武岩工字型钢的两端分别与邻近的竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢之间进行焊接，短纵向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢及横、纵向玄武岩槽型钢、围成的区域内安装内嵌轻质面板，相邻两面侧部骨架结构内、外侧平齐；在相邻两侧面的交界区域，通过内外侧的两个直角连接板将两侧面交界位置的两个对应内嵌轻质面板连接在一起；连接板与内嵌轻质面板的连接处采用胶栓混合连接，所述胶栓混合连接即用高韧性胶在连接板与两侧面界面交接处的内嵌轻质面板进行连接，然后在内嵌轻质面板沿厚度方向将内外侧的两个对应连接板进行高强螺栓的连接，从而使侧部骨架结构与底部骨架结构形成一个整体；
顶部骨架结构，由长纵向玄武岩工字型钢与若干根横向玄武岩工字型钢组成，长纵向玄武岩工字型钢的长度与框架结构长度相等，长纵向玄武岩工字型钢的数量为至少一个，多个长纵向玄武岩工字型钢之间的间距与内嵌轻质面板的长度一致，长纵向玄武岩工字型钢的两端与顶部的两个横向玄武岩槽型钢焊接固定；在顶部的两个横向玄武岩槽型钢之间布置若干数量的横向玄武岩工字型钢，横向玄武岩工字型钢的两端分别与顶部的纵向玄武岩槽型钢、长纵向玄武岩工字型钢平整连接，且横向玄武岩工字型钢沿着长纵向玄武岩工字型钢按一定距离布置，形成平整连接面；在横向玄武岩槽型钢、顶部长纵向玄武岩工字型钢与纵向玄武岩槽型钢之间的区域内安装内嵌轻质面板；
所述内嵌轻质面板包括不同密度的泡沫铝组成的泡沫铝夹芯层、夹在夹芯层上下的对位芳纶纤维复合材料；所需每层泡沫铝厚度为10mm～20mm，密度范围为0.20g/cm3～0.60g/cm3，泡沫铝夹芯层中每层泡沫铝密度按照0.25～0.35g/cm3、0.35～0.45g/cm3、0.45～0.55g/cm3的方式进行设置；所需对位芳纶纤维厚度为0.30±0.05mm～0.32±0.05mm，断裂强力经向为8000N/50mm～8500N/50mm，纬向为9000N/50mm～9200N/50mm，断裂伸长率在6％以内，并且织物表面平整光滑，没有明显的起毛；泡沫铝与强度较高的对位芳纶纤维复合面料薄板组成轻质高强面板，夹芯层和薄板之间采用界面粘结剂而成；所述界面粘结剂成分为环氧树脂E51：稀释剂501：固化剂T-5：增韧剂QS-020N：硅烷偶联剂KH-560＝100：15：15：30：
1；泡沫铝夹芯层的密度梯度系数绝对值为0.4-0.8；
该防护结构的爆距不大于5m，TNT当量能达到1kg以内。
2.根据权利要求1所述的防护结构，其特征在于，所述连接板为与内嵌轻质面板等高的直角连接件，铺一组高度后连接一次；或者连接板为与竖向玄武岩槽型钢等高，在侧部所有内嵌轻质面板安装好后整体通过胶栓混合连接固定在相邻侧面的交界处。
3.根据权利要求1所述的防护结构，其特征在于，泡沫铝夹芯层的每层泡沫铝密度为0.33g/cm3、0.44g/cm3、0.55g/cm3。
4.根据权利要求1所述的防护结构，其特征在于，该防护结构的爆距为5-1m，TNT当量为500-1000g。
5.一种权利要求1所述的轻量化装配式抗爆防弹应急防护结构的安装方法，该安装方法包括：
(1)根据设计尺寸，加工所需的型材，包括横向玄武岩槽型钢、纵向玄武岩槽型钢、横向玄武岩工字型钢、短纵向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩槽型钢、内嵌轻质面板、长纵向玄武岩工字型钢、连接板；
(2)安装由两个纵向玄武岩槽型钢、和两个横向玄武岩槽型钢组成的底部骨架结构，使槽口朝上，从而形成长方形框架支撑结构；
(3)接着沿底部骨架结构中的纵向玄武岩槽型钢和/或横向玄武岩槽型钢的两端垂直布置竖向玄武岩槽型钢，在超过一个内嵌轻质面板宽度的两个相邻竖向玄武岩槽型钢之间平行布置若干竖向玄武岩工字型钢，然后在相邻竖向玄武岩工字型钢、竖向玄武岩槽型钢与竖向玄武岩工字型钢之间底部安装内嵌轻质面板，在竖向玄武岩槽型钢两侧的内嵌轻质面板与相邻的竖向玄武岩槽型钢之间利用胶栓混合连接；
(4)安装一组内嵌轻质面板接着再安装短纵向玄武岩工字型钢，短纵向玄武岩工字型钢两端与相邻的竖向玄武岩槽型钢和/或竖向玄武岩工字型钢焊接在一起，使得内嵌轻质面板紧紧卡接在短纵向玄武岩工字型钢内，然后短纵向玄武岩工字型钢的两端分别与竖向玄武岩工字型钢和/或竖向玄武岩槽型钢进行焊接；重复上述过程安装下一组内嵌轻质面板，同组的内嵌轻质面板等高度；当达到规定高度后在最后一组内嵌轻质面板上安装顶部的纵向玄武岩槽型钢和顶部的横向玄武岩槽型钢，形成完整侧部骨架结构；
(5)在垂直于顶部的两个横向玄武岩槽型钢之间焊接长纵向玄武岩工字型钢，长纵向玄武岩工字型钢的长度与预计制作的长方体的宽度、内嵌轻质面板的尺寸有关，相邻长纵向玄武岩工字型钢之间的距离与内嵌轻质面板的长度相同；然后在顶部的纵向玄武岩槽型钢和顶部的横向玄武岩槽型钢、长纵向玄武岩工字型钢之间安装一组内嵌轻质面板；在一组内嵌轻质面板安装后，再沿平行顶部的横向玄武岩槽型钢的方向焊接一根横向玄武岩工字型钢，横向玄武岩工字型钢的两端与顶部的纵向玄武岩槽型钢焊接，且穿过长纵向玄武岩工字型钢保持平整连接；再安装下一组内嵌轻质面板，如此重复，完成顶部内嵌轻质面板的安装。
6.根据权利要求5所述的安装方法，其特征在于，在步骤(5)中，内嵌轻质面板能从两边向中心一起铺装。
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