格柵式防爆網(wǎng)在建筑防爆中的應(yīng)用及防爆性能*

王書鵬

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050041）

格柵式防爆網(wǎng)在建筑防爆中的應(yīng)用及防爆性能*

王書鵬

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊050041）

王書鵬.格柵式防爆網(wǎng)在建筑防爆中的應(yīng)用及防爆性能［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：48－53.［Wang Shupeng.The Utilization of Blast Proof Square Mesh in Buildings and Its Anti-explosion Performance［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（2）：48－53.］

分析現(xiàn)有建筑防爆方法的不足，提出一種新的防爆概念，即在建筑周圍設(shè)置一道防爆網(wǎng)，可以同時(shí)解決場(chǎng)地限制和防爆問(wèn)題。應(yīng)用LS-DYNA有限元程序建立方孔格柵式防爆網(wǎng)的爆炸模型，對(duì)防爆網(wǎng)防護(hù)范圍內(nèi)的沖擊波壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了壓力場(chǎng)分布，并與無(wú)防護(hù)網(wǎng)情況進(jìn)行比較。結(jié)果表明：防爆網(wǎng)可以有效減小爆炸對(duì)建筑的沖擊，但防爆效果與其和建筑之間的距離有關(guān)；防爆網(wǎng)與建筑之間的距離增大時(shí)，沖擊波超壓減小率減小，但減小率分布的均勻性會(huì)顯著改善，適當(dāng)增加防爆網(wǎng)和建筑之間的距離，可獲得良好防爆效果；防爆網(wǎng)緊鄰建筑時(shí)，沖擊波超壓減小率等值線分布與防爆網(wǎng)的網(wǎng)格一致，孔邊的沖擊波超壓減小率要大于孔中心的數(shù)值，防爆網(wǎng)可有效減輕爆炸對(duì)窗戶玻璃邊角的沖擊，減小爆炸對(duì)玻璃的傷害。

防爆網(wǎng)；爆炸；沖擊波；超壓減小率；防爆效果

近年來(lái)世界恐怖爆炸層出不窮，針對(duì)民用設(shè)施及無(wú)辜民眾并造成嚴(yán)重人身傷害及財(cái)產(chǎn)損失的恐怖襲擊事件無(wú)疑也屬于災(zāi)害的范疇。從眾多的恐怖爆炸事件分析得知，自殺式汽車炸彈和人體炸彈是恐怖分子選擇爆炸襲擊的主要方式，他們選擇的襲擊目標(biāo)多為大使館、地鐵車站、汽車站和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等人口聚集或具有特殊重要性的建筑。資料顯示，汽車炸彈在街道爆炸時(shí)，“溝谷效應(yīng)”會(huì)使沖擊波壓力和沖量增大數(shù)倍，對(duì)街區(qū)附近的人群或建筑造成極大傷害［1－3］。提高建筑的防護(hù)能力已成為國(guó)際社會(huì)的普遍共識(shí)。

目前，增強(qiáng)建筑防護(hù)能力，減輕汽車炸彈對(duì)其傷害的方法有三種：設(shè)置汽車檢查站或路障，增大建筑的安全防護(hù)距離［4］；設(shè)置防爆墻，阻擋沖擊波，減輕沖擊波對(duì)建筑的傷害［5］；對(duì)建筑進(jìn)行加固，提高建筑的抗爆能力［6－7］。研究表明，沖擊波壓力和沖量與炸藥TNT當(dāng)量及防護(hù)距離相關(guān)［8］，增加防護(hù)距離可以顯著減小爆炸對(duì)建筑的傷害，但是該方法受到建筑場(chǎng)地的局限，多數(shù)情況下難以實(shí)施；在建筑前設(shè)置防爆墻可以在一定程度上縮小防護(hù)距離，減輕爆炸對(duì)建筑的傷害，但是防爆效果與墻體的高度相關(guān)［9］，增加墻體高度可以減輕爆炸對(duì)建筑的傷害，但高墻體又會(huì)影響建筑的使用功能及立面裝飾效果。可見以上兩種方法均受場(chǎng)地環(huán)境的制約，在多數(shù)情況下難以對(duì)建筑形成有效防護(hù)。因此，本文提出一種新的防爆概念，即在建筑周圍設(shè)置一層兼具裝飾及防爆效果的防爆網(wǎng)，既可以不受狹小的街道及場(chǎng)地局限，又可以解決建筑的防恐怖爆炸問(wèn)題。

圖1所示為網(wǎng)格型防護(hù)措施在某大使館的實(shí)際應(yīng)用，該防護(hù)網(wǎng)既可以防爆，也可以阻擋外界對(duì)建筑內(nèi)窺視，同時(shí)還兼具裝飾建筑立面的效果?？梢姺辣W(wǎng)在建筑中已有使用，但對(duì)于其防爆性能的研究尚少。為此本文基于有限元程序LS-DYNA，對(duì)一種典型的方孔格柵式防爆網(wǎng)進(jìn)行爆炸模擬實(shí)驗(yàn)，在確定合適的模型及參數(shù)后對(duì)其防爆性能進(jìn)行研究。

圖1 某大使館的網(wǎng)格型防護(hù)措施

表1 炸藥的材料參數(shù)

1 防爆網(wǎng)爆炸試驗(yàn)的計(jì)算模型

1.1 數(shù)值模型的建立

以一個(gè)典型爆炸場(chǎng)景為原型，方孔格柵式防爆網(wǎng)為研究對(duì)象，采用LS-DYNA有限元程序建立計(jì)算模型，如圖2所示。防爆網(wǎng)厚度為0.05 m，格柵肋寬0.1 m，網(wǎng)孔寬0.2 m，防爆網(wǎng)與炸藥之間的距離為1.0 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，防爆網(wǎng)視為剛體?？諝?、炸藥和防爆網(wǎng)均采用Solid 164單元，ALE空間尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m，共劃分為125000個(gè)單元，其中炸藥為一個(gè)單元，尺寸為0.05 m×0.05 m×0.05 m。防爆網(wǎng)單元尺寸也為0.05 m×0.05 m×0.05 m。利用模型的對(duì)稱性取1／8模型計(jì)算。除對(duì)稱面外，邊界面定義為透射邊界。

圖2 爆炸場(chǎng)景及計(jì)算模型

炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN材料模型和JWL（Jones-Wilkens-Lee）方程。狀態(tài)方程為［10］：

式中：A、R1、B、R2、ω為材料常數(shù)；P為沖擊波壓力；V為相對(duì)體積；E0為單位體積炸藥的初始內(nèi)能。各參數(shù)如表1所示。

空氣采用MAT-NULL材料模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS-LINEAR-POLYNOMIAL。方程為：

式中：e為單位體積內(nèi)能；ρ為質(zhì)量密度；ρ0初始質(zhì)量密度?？諝獠牧蠀?shù)如表2所示。

表2 空氣的材料參數(shù)

1.2 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型和材料參數(shù)取值的正確性和可靠性，進(jìn)行無(wú)限空中爆炸的數(shù)值模擬，尺寸及參數(shù)同上。數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式［11－13］計(jì)算結(jié)果的比較如圖3所示，本文模型得到的沖擊波超壓及正壓持續(xù)時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果接近。

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式比較

另外，圖4中給出有防爆網(wǎng)和無(wú)防爆網(wǎng)兩種情況下防爆網(wǎng)前的空氣超壓及速度比較。炸藥爆炸后，沖擊波迅速傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)防爆網(wǎng)時(shí)，由于受到阻擋，空氣在防爆網(wǎng)前堆積，空氣速度顯著降低，如圖4b所示。在無(wú)防爆網(wǎng)情況下，空氣流通順暢，該處的空氣速度為490.5 m·s－1；在有防爆網(wǎng)情況下，空氣受到阻擋，該處空氣速度為109.8 m·s－1，兩者相差4.5倍。由于防爆網(wǎng)的阻擋，空氣在防爆網(wǎng)的格柵肋處形成反射，如圖4a所示，該處反射沖擊波的超壓為1.37 MPa，入射沖擊波超壓為0.41 MPa，兩者相差3.3倍，符合沖擊波在剛性界面反射系數(shù)取值范圍為：2≤K≤8［14］。

圖4 防爆網(wǎng)前空氣超壓及速度

從以上分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析相符，測(cè)點(diǎn)超壓及正壓持續(xù)時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果也符合較好，表明模型及參數(shù)選取可靠，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可信。

2 防爆網(wǎng)的防爆性能分析

2.1 防爆網(wǎng)防爆性能的量化計(jì)算

炸藥爆炸后，沖擊波傳播到防爆網(wǎng)時(shí)會(huì)受到阻擋，一部分沖擊波會(huì)被防爆網(wǎng)反射，另一部分沖擊波會(huì)繞過(guò)防爆網(wǎng)，形成繞射，如圖5a所示。繞射的沖擊波壓力云圖呈波浪型，波浪的起伏與防爆網(wǎng)格一致。圖5b為無(wú)防爆網(wǎng)情況下的沖擊波壓力云圖，壓力云圖呈球型，與理論相符。為方便比較，在圖上標(biāo)出A、B、C、D四處，坐標(biāo)分別為（1.05 m，0 m，0 m）、（1.25 m，0 m，0 m）、（1.5 m，0 m，0 m）、（2.0 m，0 m，0 m），與防爆網(wǎng)的垂直距離分別為0.05 m、0.25 m、0.5 m、1.0 m。同時(shí)為了量化分析防爆網(wǎng)的防爆性能，引入沖擊波超壓減小率，如式（4）所示：

式中：EPso為沖擊波超壓減小率；P′so為有防爆網(wǎng)情況下沖擊波超壓峰值；Pso為無(wú)防爆網(wǎng)情況下的沖擊波超壓峰值。

A、B、C、D四處沖擊波超壓時(shí)程曲線如圖6所示，與無(wú)防爆網(wǎng)情況相比，A、B、C、D四處沖擊波超壓減小率分別為55.4%、49.3%、47.6%、34.9%，超壓減小率與防爆網(wǎng)的垂直間距相關(guān)，距離增大，超壓減小率變小。表明防爆網(wǎng)可以有效阻擋沖擊波的傳播，減輕防護(hù)范圍內(nèi)沖擊波對(duì)建筑或人的傷害，但防爆效果和防爆網(wǎng)與被防護(hù)物之間的距離有關(guān)。

圖5 沖擊波壓力云圖

2.2 整個(gè)防護(hù)空間的防爆效果

為全面了解整個(gè)防護(hù)空間的防爆效果，做平行于防爆網(wǎng)的橫截面，經(jīng)過(guò)A、B、C、D點(diǎn)的截面記為截面A、截面B、截面C、截面D。計(jì)算沖擊波在整個(gè)截面的超壓減小率，做EPso等值線分布圖，如圖7所示。截面A的EPso等值線分布最密且線條間距最小，截面D的EPso等值線分布最稀疏且線條間距最大。表明沖擊波超壓在截面A處不均勻減小，而在截面D處均勻減小，截面D的防爆均勻性要好于截面A。

為方便量化分析，計(jì)算截面沖擊波超壓減小率的均值和方差，結(jié)果如圖8所示。防爆網(wǎng)后0.1 m的截面（以下簡(jiǎn)稱“截面0.1”）EPso均值最大，為65.5%，之后EPso均值隨防爆網(wǎng)與被防護(hù)物之間的距離增大而減小。截面1.3的EPso均值為55.0%，較截面0.1的EPso均值減小0.16倍，截面1.3 m處的防爆效果仍然良好。圖8顯示EPso方差隨防爆網(wǎng)與被防護(hù)物之間的距離增大而減小，且在截面0.15之前曲線斜率較大，在截面0.15之后曲線斜率變小，截面0.15的EPso方差為3.3，該截面處的防爆已較均勻，在此之后截面的防爆均勻性越來(lái)越好。

圖6 沖擊波超壓時(shí)程曲線

圖7 沖擊波超壓減小率等值線

圖8 沖擊波超壓減小率均值和方差

綜合分析得出：防爆網(wǎng)的防爆效果與其和建筑之間的距離相關(guān)，距離增大，EPso均值和方差都減小。因此文章建議，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)在不顯著影響沖擊波超壓減小率基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加防爆網(wǎng)與建筑之間的距離可明顯改善防爆的均勻性，能獲得良好防爆效果。

另外，圖7截面A的EPso等值線分布與防爆網(wǎng)的網(wǎng)格一致，等值線數(shù)值從網(wǎng)孔邊到中心依次減小，孔邊的沖擊波超壓減小率大于孔中心的數(shù)值，說(shuō)明網(wǎng)孔邊的防爆效果要好于網(wǎng)孔中心處。原因?yàn)闆_擊波受到格柵肋干擾發(fā)生環(huán)流，在網(wǎng)孔邊受到影響較大，而在網(wǎng)孔中心處受到的影響較小。由于在爆炸作用下玻璃的邊角最易受損［15］，所以緊鄰建筑的防爆網(wǎng)可有效減輕爆炸對(duì)窗戶玻璃邊角的沖擊，一定程度上減輕爆炸對(duì)玻璃的傷害。圖9所示為某大使館的玻璃防護(hù)措施，小而深的窗戶洞口，起到了防爆網(wǎng)的作用，保護(hù)玻璃的同時(shí)也可以防止外界對(duì)建筑內(nèi)窺視。

圖9 某大使館玻璃防爆措施

3 結(jié)論

建筑的防爆研究已開展多年，但常見的防爆方法如增大建筑的安全距離和設(shè)置防爆墻等受到場(chǎng)地條件的制約，難以對(duì)建筑形成有效防護(hù)。本文提出在建筑周圍設(shè)置一層兼具裝飾及防爆效果的防爆網(wǎng)，既可以解決場(chǎng)地局限也可以防止恐怖爆炸。文章應(yīng)用有限元程序LS-DYNA建立了方孔格柵式防爆網(wǎng)的爆炸模型，對(duì)防爆網(wǎng)防護(hù)范圍內(nèi)的沖擊波壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)與無(wú)防護(hù)網(wǎng)情況的壓力場(chǎng)比較，得出以下結(jié)論：

（1）建立的防爆網(wǎng)爆炸模型參數(shù)正確，可用于防護(hù)范圍內(nèi)的沖擊波壓力場(chǎng)分布分析。

（2）防爆網(wǎng)可以有效減小爆炸對(duì)建筑的沖擊，但防爆效果與其和建筑之間的距離有關(guān)。距離較近時(shí)，沖擊波超壓不均勻減小，防爆效果不好；距離增大時(shí)，沖擊波超壓減小率分布均勻，防爆效果變好。在不顯著影響沖擊波超壓減小率基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加防爆網(wǎng)與建筑之間的距離，可取得良好防爆效果。

（3）防爆網(wǎng)緊鄰建筑時(shí)，EPso等值線分布與防爆網(wǎng)的網(wǎng)格一致，孔邊的沖擊波超壓減小率要大于孔中心的數(shù)值，網(wǎng)孔邊的防爆效果要好于網(wǎng)孔中心處。臨近建筑時(shí)，防爆網(wǎng)可有效減輕爆炸對(duì)窗戶玻璃邊角的沖擊，減小爆炸對(duì)玻璃的傷害。

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The Utilization of Blast Proof Square M esh in Buildings and Its Anti-explosion Performance

Wang Shupeng
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China）

A new retrofit concept installing blast barrier on building is introduced to protect it from terrorist explosion.Based on LS-DYNA，an appropriate model for calculating the shock wave pressure of air behind the blast barrier is established.The numerical results shows that blast barrier can mitigate the blast effect on building which is related to the distance between them.With the increase of the distance away from blast barrier，themean of EPsowill become less，whereas the uniformity of anti-explosion effectwill become better.By increasing the distance as appropriate good anti-explosion performance of blast barrier can be achieved.When the blast barrier is installed near the buildings，the line contours distribution of EPsois consistent with the shape of blast proof square mesh，the value of the EPsois reduced from the edge to the center of a hole.The blast barrier can mitigate the effect of detonation and protect the glass ofwindows from terrorist explosion.

blast proof squaremesh；blast；shock wave；decrease ratio of over-pressure；anti-explosion effect

O383＋.2；TU393.3；X43

A

1000－811X（2014）02－0048－06

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.011

2013－09－29 修改日期：2013－11－01

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目（QN20131160）；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（13275414）

王書鵬（1982－），男，山西陽(yáng)泉人，工學(xué)碩士，講師，主要從事結(jié)構(gòu)抗爆研究.E-mail：shupeng2hao＠163.com