固定式防撞柱系统抗车辆侵入机理及层间混杂FRP增强技术研究

Anti-ram bollard systems, which are installed in the perimeter of buildings and infrastructures, can effectively prevent the approach of vehicle bombs and thus reduce the threats of blast and debris to buildings and human life and property safety inside. This project firstly investigates the working mechanism and failure modes of fixed anti-ram bollard systems (FABSs) subjected to vehicle impact through numerical simulation. The numerical model, which has been developed by the applicant, is utilized to simulate the vehicle-FABS collision. The parameters include structural composition of FABS and kinetic energy of vehicle. Secondly, an analytical model for dynamic response of FABSs under vehicle crash is proposed, in which soil-structure interaction is considered. On the other hand, the strain rate effect of interply hybrid FRP-steel interface is investigated through quasi-static and impact testing. Here, interply hybrid FRP (Fiber Reinforced Polymer) is composed of inner and outer GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) and intermediate CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). A numerical model is developed to simulate the behavior of interply hybrid FRP-steel interface in test. Then, the numerical model for interply hybrid FRP-steel interface is introduced to the numerical model for vehicle-FABS collision and the numerical crash tests of FABSs strengthened by interply hybrid FRP are conducted. The aim of the numerical tests is to study the effect of interply hybrid FRP strengthening for bollard bases on the penetration-resistance improvement of FABSs. Finally, the effective interply hybrid FRP strengthening techniques are proposed for FABSs. The research results can be widely applied to FABSs in protective engineering, and it has great theoretical and practical significance.

在建筑物和基础设施外围设置防撞柱系统，可有效阻隔汽车炸弹侵入，从而降低爆炸冲击波荷载和炸弹碎片对建筑及建筑内人员生命财产安全的威胁。项目基于申请人已建立并通过试验验证的车辆-固定式防撞柱系统碰撞过程数值模型，开展参数分析，考察防撞柱系统结构组成与车辆冲击动能对固定式防撞柱系统工作机理和失效模式的影响，建立考虑土-结构相互作用的车-固定式防撞柱系统碰撞过程动力响应分析模型；试验观测不同加载速率下由内外层GFRP和中间层CFRP构成的层间混杂FRP与钢之间界面性能的变化规律，并建立模拟界面试验表现的数值模型，将界面数值模型引入碰撞过程数值模型，进行数值试验，分析层间混杂FRP缠绕粘贴防撞柱柱脚对固定式防撞柱系统抗车辆侵入能力提高程度的影响，提出层间混杂FRP增强固定式防撞柱系统的技术方案。项目成果可为固定式防撞柱系统在防护工程中的应用提供基础和依据，具有较大的理论意义和工程实用价值。

在建筑物和基础设施外围设置防撞柱系统，可有效阻隔汽车炸弹侵入，从而降低爆炸冲击波荷载和炸弹碎片对建筑及建筑内人员生命财产安全的威胁。项目基于负责人已建立并通过试验验证的车辆-固定式防撞柱系统碰撞过程数值模型，采用ANSYS/LS-DYNA，开展了69组卡车撞击固定式防撞柱系统的数值试验。考察了防撞柱系统结构组成与车辆冲击动能对固定式防撞柱系统工作机理和失效模式的影响。研究发现，车辆撞击下固定式防撞柱系统出现了碰撞后防撞柱倾角过大引起的失效和碰撞后防撞柱高度过小引起的失效。车辆撞击下固定式防撞柱系统塑性铰仅出现在防撞柱柱脚或同时出现在防撞柱柱脚和基础。收集并评估了国内外已有的车辆与结构最大碰撞力计算方法对预测卡车与防撞柱系统最大碰撞力的适用性。结果表明，已有的计算方法中Eurocode 1: Part1-7计算方法对卡车与防撞柱系统的最大碰撞力预测最准确，其他方法预测结果均较差，但Eurocode 1: Part1-7计算方法未考虑碰撞过程中防撞柱系统的变形耗能，计算方法并不合理。数值试验表明，碰撞过程中约81%的卡车碰撞动能由卡车、防撞柱及其基础的变形来消耗。基于这个重要发现，建立了卡车与防撞柱系统碰撞过程新的能量平衡关系，提出了基于能量平衡的卡车与防撞柱系统最大碰撞力计算方法。根据碰撞后卡车变形特征分析，采用卡车等效变形对Campbell模型进行了参数修正，提出了基于卡车变形的卡车与防撞柱最大碰撞力修正计算方法，适用于防撞柱系统结构设计。对已有的判别防撞柱系统能否成功阻隔车辆侵入的变形限值进行了评估。在此基础上，提出了改进的判别防撞柱系统能否成功阻隔车辆侵入的结构变形限值，即碰撞后防撞柱倾角不超过30°且高度不低于与碰撞速度相关的限值，并给出了计算防撞柱系统结构变形的简化分析模型。项目成果可为防撞柱系统在防护工程中的应用提供基础和依据，具有较大的理论意义和工程实用价值。