一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构

本发明涉及防灾减灾与防护工程与民防工程，具体涉及一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构。

背景技术：

1、近年来，国外的gbu系列、mephisto侵彻战斗部以及kriss钻地弹等钻地类打击武器的攻击力日益增强。传统的钢筋混凝土防护结构难以胜任现代钻地类武器的攻击，迫切需要研发抗侵彻性能更为强劲的防护结构。

2、目前众多学者一致认为蜂窝钢管格栅混凝土相较于传统钢筋混凝土具有更好的抗侵彻性能。蜂窝钢管格栅混凝土是采用钢板焊接围成多个空腔格栅，再在空腔钢板格栅内填充混凝土而成的一种防护结构，如方(矩)形蜂窝格栅混凝土与六边形蜂窝格栅混凝土等。然而，传统的蜂窝格栅混凝土具有如下问题：1)格栅钢板常采用平钢板，侵彻过程中平钢板刚度小，易出现平面外鼓曲，造成其对核心混凝土的约束效果显著下降，从而造成整体防护结构的抗侵彻性能退化。如果为提高钢板的约束能力而增加钢板厚度，则影响施工建造。2)格栅钢板采用平钢板时，钢板与混凝土之间的粘结力与机械咬合力较小，侵彻过程中格栅钢板与混凝土易产生滑移错动，造成抗侵彻能力下降。3)沿侵彻深度方向的混凝土强度及类型单一，导致防护结构的厚度需设计得很大以保证抗侵彻能力，不利于施工。且存在迎弹面开孔后易脱落及背弹面易开裂的缺点，因此抗二次(多次)侵彻打击能力较弱。因此，急需进一步提高传统蜂窝格栅混凝土防护结构的抗侵彻能力。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足，提供一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，利用波纹钢板平面外刚度大、波纹钢板与混凝土的界面咬合力大的优势，并基于功能梯度混凝土结构快速降低战斗部动能的优势，提高传统蜂窝格栅混凝土防护结构的抗侵彻能力。

2、技术方案：本发明的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，包括多腔波纹钢板格栅与功能梯度混凝土；所述的多腔波纹钢板格栅由多个波纹钢板与连接型钢按照设定方式正交排列焊接而成，多腔波纹钢板格栅中的各个小腔体截面形状为多边形，所述功能梯度混凝土包括抗剥落层混凝土、抗钻层混凝土和抗裂层混凝土，所述抗剥落层混凝土、抗钻层混凝土和抗裂层混凝土按照设定厚度比例依次分层浇筑在多腔波纹钢板格栅内。

3、所述多腔波纹钢板格栅中各个小腔体截面形状的多边形为三角形、正方形，矩形、六边形和八边形。

4、所述的连接型钢的截面形状为h形、l形、t形、y字形、十字形、方钢管、六边形钢管、八边形钢管或型钢管；所述的连接型钢的截面形状为方钢管、六边形钢管、八边形钢管或型钢管时，所有的钢管边长或直径不小于100mm，以便于浇筑功能梯度混凝土。

5、所述的抗钻层混凝土中填充剪切模量不低于100gpa的耐磨粗骨料，耐磨粗骨料粒径不小于30mm，耐磨粗骨料的材质为刚玉、石英石、氧化铝陶瓷球、或高碳钢，耐磨粗骨料的间隙填充强度等级不低于c70的高强混凝土。

6、所述的抗裂层混凝土和抗剥落层混凝土分别为流动度约为150mm与200-250mm的纤维高强混凝土，其中纤维体积含量不低于3％，纤维材质可为碳纤维、玻璃纤维、钢纤维等，纤维混凝土强度等级不低于c70。

7、所述的波纹钢板的厚度不低于1.5mm以保证其具有较高的面外刚度。

8、所述的波纹钢板均采用横向波纹，波高与波长之比不小于0.2以保证其与功能梯度混凝土具有较强的界面咬合力。

9、所述由波纹钢板与连接型钢焊接形成的各个小腔体截面尺寸不大于1500mm，以充分发挥多腔波纹钢板格栅对功能梯度混凝土的约束性能，同时各个小腔体截面尺寸不得小于100mm以便浇筑功能梯度混凝土。

10、所述按照设定厚度比例依次分层浇筑在多腔波纹钢板格栅内的抗剥落层混凝土、抗钻层混凝土和抗裂层混凝土的比例为：抗剥落层混凝土的厚度介于结构整体厚度的20％-50％之间，抗钻层混凝土的厚度介于结构整体厚度的30-70％之间，抗裂层混凝土的厚度介于结构整体厚度的5％-20％之间。

11、有益效果：本发明与现有技术相比具有如下优点：

12、1、波纹钢板的褶皱波纹使得其具有比平钢板更大的平面外刚度，能更加有效抑制功能梯度混凝土受侵彻过程中的横向扩张，进而提高抗侵彻能力。

13、2、波纹钢板均采用横向波纹，波纹钢板的凹凸形状可使得其与功能梯度混凝土产生较强的界面咬合力，有效防止了侵彻过程中功能梯度混凝土与钢板格栅的错动滑移，使得整体防护结构更好的协同受力，进而提高抗侵彻能力。

14、3、通过连接型钢将多个腔体焊接形成一个整体，进而提高了防护结构的整体抗侵彻性能。

15、4、相对于传统钢筋混凝土防护结构而言，本发明中的波纹钢板可起到模板的作用，无需额外支模，且可采用工厂预制的方式，从而大大降低了施工成本。

16、5、抗钻层混凝土的高强耐磨粗骨料可对战斗部的表面进行磨蚀，使得战斗部表面钝化，并使得战斗部侵彻角度发生偏转以快速减小战斗部的侵彻动能，从而有效减小侵彻深度。

17、6、抗裂层混凝土与抗剥落层混凝土中的纤维可有效减小迎弹面开孔面积并防止背弹面开裂，进而有效提高防护结构抗多次打击能力。

技术特征：

1.一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，包括多腔波纹钢板格栅(1)与功能梯度混凝土(2)；其特征在于：所述的多腔波纹钢板格栅(1)由多个波纹钢板(11)与连接型钢(12)按照设定方式正交排列焊接而成，多腔波纹钢板格栅(1)中的各个小腔体截面形状为多边形，所述功能梯度混凝土(2)包括抗剥落层混凝土(23)、抗钻层混凝土(22)和抗裂层混凝土(21)，所述抗剥落层混凝土(23)、抗钻层混凝土(22)和抗裂层混凝土(21)按照设定厚度比例依次分层浇筑在多腔波纹钢板格栅(1)内。

2.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述多腔波纹钢板格栅(1)中各个小腔体截面形状的多边形为三角形、正方形，矩形、六边形和八边形。

3.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述的连接型钢(12)的截面形状为h形、l形、t形、y字形、十字形、方钢管、六边形钢管、八边形钢管或型钢管；所述的连接型钢(12)的截面形状为方钢管、六边形钢管、八边形钢管或型钢管时，所有的钢管边长或直径不小于100mm，以便于浇筑功能梯度混凝土(2)。

4.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述的抗钻层混凝土(22)中填充剪切模量不低于100gpa的耐磨粗骨料，耐磨粗骨料粒径不小于30mm，耐磨粗骨料的材质为刚玉、石英石、氧化铝陶瓷球、或高碳钢，耐磨粗骨料的间隙填充强度等级不低于c70的高强混凝土。

5.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述的抗裂层混凝土(21)和抗剥落层混凝土(23)分别为流动度约为150mm与200-250mm的纤维高强混凝土，其中纤维体积含量不低于3％，纤维材质可为碳纤维、玻璃纤维、钢纤维等，纤维混凝土强度等级不低于c70。

6.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述的波纹钢板(11)的厚度不低于1.5mm以保证其具有较高的面外刚度。

7.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述的波纹钢板(11)均采用横向波纹，波高与波长之比不小于0.2以保证波纹钢板与功能梯度混凝土(2)具有较强的界面咬合力。

8.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述由波纹钢板(11)与连接型钢(12)焊接形成的各个小腔体截面尺寸不大于1500mm，以充分发挥多腔波纹钢板格栅(1)对功能梯度混凝土(2)的约束性能，同时各个小腔体截面尺寸不得小于100mm以便浇筑功能梯度混凝土(2)。

9.根据权利要求1所述的一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，其特征在于：所述按照设定厚度比例依次分层浇筑在多腔波纹钢板格栅(1)内的抗剥落层混凝土(23)、抗钻层混凝土(22)与抗裂层混凝土(21)的比例为：抗剥落层混凝土(23)的厚度介于结构整体厚度的20％-50％之间，抗钻层混凝土(22)的厚度介于结构整体厚度的30-70％之间，抗裂层混凝土(21)的厚度介于结构整体厚度的5％-20％之间。

技术总结
一种多腔波纹钢板格栅约束功能梯度混凝土防护结构，包括多腔波纹钢板格栅与功能梯度混凝土；多腔波纹钢板格栅由多个波纹钢板与连接型钢按照设定排列方式正交焊接而成，多腔波纹钢板格栅中各个小腔体截面形式为多边形。功能梯度混凝土由抗裂层混凝土、抗钻层混凝土与抗剥落层混凝土构成；抗剥落层混凝土、抗钻层混凝土和抗裂层混凝土按照设定厚度比例依次分层浇筑在所述多腔波纹钢板格栅中。本发明利用波纹钢板平面外刚度大、波纹钢板与混凝土的界面咬合力大的优势，有效防止了侵彻过程中混凝土与钢板格栅的错动滑移，使得整体结构更好的协同受力，并基于功能梯度混凝土快速降低战斗部动能的特性，提高传统蜂窝格栅混凝土防护结构的抗侵彻能力。

技术研发人员：李贤,廖栩,赵胜达,李镇宇,杨晨
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13