一种仿头盔式建筑结构抗爆抗冲击防护装置的制作方法

本发明属于建筑结构防护领域，更具体的说，涉及一种建筑结构抗爆抗冲击防护装置，可用于提高建筑结构在爆炸冲击荷载下的防护性能。

背景技术：

1、随着工程技术的不断发展，人们对建筑结构的设计需求不断提高。重要的建筑结构不仅要满足正常工程服役需求，而且应该具备在极端荷载作用下优越的防护性能。传统工程防护主要包括两种设计理念：一种采用“刚性防护”设计原理，即通过直接增加结构受冲击方向的尺寸、提高材料强度或设置抗爆墙等方式抵抗爆炸冲击荷载；另一种为“柔性防护”设计理念，即在建筑结构外部安装柔性耗能装置，通过降低输入到结构上的荷载和能量减小结构损伤。

2、采用“刚性防护”设计，抗爆抗冲击效果较好，但维修成本较高，有时需要采用整体加固的方式，施工周期长。“柔性防护”设计的防护装置，如柔性牺牲挂板结构，维护更换方便，但抗爆效果略显不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种能够用于抵抗爆炸冲击荷载的仿头盔式韧性防护装置。该防护装置充分模拟了混合型头盔的结构，混合型头盔由外壳、内衬层和缓冲层等结构组成，主要的防护原理为通过外部较为坚硬质地的外壳抵挡部分冲击，将冲击力分解到整个外壳，避免撞击力直接作用在头部上。同时内部的缓冲层通过挤压变形来吸收大部分冲击的能量，以减小到达头部的冲击力，从而保护头部免收伤害。本发明基于头盔的抗冲击原理设计建筑防护装置，该装置具备优异的吸能抗爆能力，且易于安装和替换，可显著降低经济成本与时间成本。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、该韧性防护装置主要包括：外壳、内衬层、缓冲层、底板，所述外壳设计为新型的周期性单胞轻质壳体结构，该结构具有低密度、高比强度和吸能能力强的特性。由于壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，从而可以达到节约结构材料和“刚性防护”的目的；

4、所述内衬层为抗爆型聚脲涂层，聚脲是一种高强度低密度、耐腐蚀磨损、造价低廉、耐冲击、阻燃性好的优质材料，不仅适用于防水防腐、阻燃涂料等领域，而且因其优异的力学性能也在抗冲击防爆领域有着广泛应用。研究表明将聚脲喷涂至防护结构的背爆面可以显著提升其抗爆性能，降低结构的破坏；因此将聚脲均匀涂覆至外壳的背爆面，形成柔性内衬层；

5、所述缓冲层采用多孔吸能材料实现“柔性防护”，利用缓冲层在爆炸冲击荷载下的压缩吸收能量，降低施加在被保护结构上的爆炸荷载的初始峰值，延长冲击作用持时，从而大幅提高结构的抗冲击性能。壳体结构是由空间曲面型板或加边缘构件组成的空间曲面结构，因此可将缓冲层填充到壳体结构中；所述底板与外壳通过螺栓进行连接，所述的底板利用环氧树脂粘接在被保护结构上，从而实现防护装置模块化安装。

6、优选地，蛋盒型壳体结构的结构特性使其具有良好的吸能缓震性，通过塑性变形来消耗冲击能量，因此可以选用蛋盒型结构作为外壳的壳体结构。蛋盒型结构可以通过冲压成形加工得到，具有可变球形凸起半径值的特性，呈现出明显的周期性排列的特点。结构参数对蛋盒型壳体结构的抗冲击特性有着不同程度的影响，因此在实际工程中，可针对不同工况合理选择不同单胞间距、成形高度、外壳厚度和曲面外壳的曲率半径，改变蛋盒型壳体结构的压缩强度和能量吸收能力，从而发挥其抵御爆炸冲击荷载的吸能效率。

7、优选地，蛋盒型壳体结构可以由纤维增强复合材料(fiber reinforced plastic，frp)制成。frp具有轻质，耐腐蚀，施工容易，比强度大的优质性能。各类frp型材已广泛应用于国防工程和建(构)筑物的修复、加固等工程，如frp筋用于建筑结构的抗震、抗冲击领域，frp布用于桥梁结构的加固工程，frp制成的单板加筋结构、夹层结构、硬壳式结构和波形结构也被广泛应用于船舰和道路交通基础设施抗爆抗冲击领域。蛋盒型壳体结构作为防护装置的骨架，可以充分利用frp材料抗弯、抗剪的高强特性，分散爆炸冲击荷载，与此同时内部的缓冲层通过挤压也在吸收冲击力，当冲击力达到一定强度时外壳会裂开，壳体的断裂同样可以消耗外部能量，进而减少结构破坏。

8、优选地，所述蛋盒型壳体结构材料可为玻璃纤维增强树脂复合材料、碳纤维增强树脂复合材料、玄武岩纤维增强树脂复合材料或芳纶纤维增强树脂复合材料等。

9、优选地，内衬层为聚脲涂层，聚脲可以采用喷涂的方式施加在已有的设备和装置上，且喷涂便捷、固化时间短，聚脲与金属、混凝土以及纤维复合材料等材料之间的黏附能力强，在使用过程中能够共同作用且能保持长时间涂覆而不脱落，同时能够满足外壳内表面曲面施工和无焊接的施工要求。在外壳背爆面涂覆的聚脲涂层通过拉伸变形消耗了部分冲击能量，聚脲涂层在一定程度上能够增大防护装置的刚度，从而在整体上提高建筑结构的抗爆性能。涂覆聚脲的内衬层不仅可以耗散冲击能量，同时外壳背爆面由于聚脲的存在能够防止破片飞溅，从而减小破片对人体或结构造成的二次伤害。

10、优选地，聚脲是一种高弹性材料，能够很好地抵抗拉力作用，厚度越大，抗拉强度越大。但考虑到经济因素以及防护装置的使用环境，需要根据实际工程的具体工况确定聚脲的厚度。

11、优选地，缓冲层采用缓冲吸能的泡沫混凝土多孔材料。泡沫混凝土材料具有较长的应力平台，在受压逐层破碎的过程中会吸收较多能量。缓冲层逐层压溃也会避免出现应力集中的现象，进一步提升结构的防护性能。除此之外，泡沫混凝土还具有易浇筑成型，施工方便，造价低，轻质环保等优点。

12、优选地，可以通过调整泡沫混凝土的密度，改变泡沫混凝土的压缩强度和能量吸收能力。由于缓冲层参数的可控性，在实际工程中，可针对不同工况合理选择不同密度，从而充分发挥其抵御爆炸冲击的性能。

13、优选地，所述底板开设若干螺栓孔，可以采用螺栓连接的方式与外壳相连。利用环氧树脂将底板粘接在被保护结构上，底板可以降低由缓冲层传递到被保护结构的爆炸荷载，从而实现“刚性防护”。所述防护装置关键部位均采用模块化装配式连接使得防护装置安装和维修加固更加便捷，大幅降低了时间和经济成本，因此通过模块化设计实现局部破坏局部更换的韧性防护目的。

14、优选地，所述底板所用材料可为低碳钢板、不锈钢板、合金钢材和塑钢等材料。

15、本发明的有益效果为：

16、(1)本发明提出的防护装置由frp蛋盒型壳体结构外壳、聚脲喷涂的内衬层、泡沫混凝土缓冲层和底板构成，其结构特点仿头盔进行设计。外壳和底板作为“刚性防护”，利用结构特性和材料特性进行耗能，泡沫混凝土缓冲层作为“柔性防护”，通过逐层破碎的方式进行吸能。蛋盒型壳体结构外壳作为泡沫混凝土的填充容器，在缓冲层受荷载压缩的过程中，对缓冲层起到了约束的作用，不仅使缓冲层充分压缩，而且可以提升缓冲层的压缩强度。本发明提出的防护装置是一种“刚柔并济”的防护装置，可以实现对被保护结构的分级防护，且防护效果优于单一的刚性防护或柔性防护。

17、(2)本发明中蛋盒型外壳通过形变吸收能量，与此同时填充在其内部的泡沫混凝土通过压溃的方式吸收能量，当冲击力达到一定强度时，外壳可以通过断裂的方式再次消耗能量。涂覆在外壳和缓冲层之间的聚脲内衬层不仅可以耗散冲击能量，同时能够防止破片飞溅，从而减小破片造成对人体或结构的二次伤害。

18、(3)本发明可以通过调节防护装置的各类参数，如蛋盒型壳体结构的几何参数、缓冲层密度和内衬层厚度改变防护装置的耗能性能，因此可以考虑实际工程情况对防护装置进行优化设计，从而实现实用性和经济性的最大化。

19、(4)本发明中防护装置采用模块化装配式连接使得安装和维修加固更加便捷，大幅降低了时间和经济成本。

20、(5)本发明中缓冲层所用材料质量轻，节能环保，制作简单，当防护装置安装于墙体时可以充分发挥缓冲层的保温、隔热耐火、隔音等材料特性。

21、本发明专利充分吸收“刚性防护”和“柔性防护”各自的优点，采用“软硬兼施”、“刚柔并济”的理念设计防护装置。基于分级防护原则设计壳体结构实现“刚性防护”，减小建筑结构在爆炸冲击荷载作用下的破坏，保护内部人员的生命安全；利用多孔结构实现“柔性防护”，多孔结构在爆炸荷载作用下压缩，在此过程中吸收部分爆炸能量，从而降低传递给建筑结构的爆炸荷载。