泄爆螺栓系統(tǒng)在爆炸沖擊波下的破壞研究

王 珅，張俊峰，何其深，李萬綱

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 鄭州 450001； 2 鄭州安筑實(shí)業(yè)有限公司， 鄭州 450016)

建筑物的泄爆已經(jīng)越來越受人們的關(guān)注，如果發(fā)生爆炸，爆炸沖擊波沒有得到合理的釋放，必然造成人員傷亡以及建筑物破壞甚至倒塌，后果不堪設(shè)想。因此需要對(duì)爆炸沖擊波合理釋放，當(dāng)建筑發(fā)生爆炸時(shí)，能迅速釋放爆炸能量，使承重結(jié)構(gòu)所受壓力得以減輕而免遭破壞，即房屋的泄爆。泄爆螺栓系統(tǒng)可以用于做泄爆墻或者泄爆屋面，減小屋內(nèi)瞬時(shí)爆炸沖擊波的超壓，從而減少建筑物的破壞。目前的爆炸系統(tǒng)研究中，周燦等[1]研究得出了合理的球形容器的泄爆小口面積；由澤偉等[2]研究了沖擊荷載下泄爆板破壞的沖量計(jì)算方法，利用沖量衡量泄爆板的破壞；高康華等[3]研究得出合理的泄爆開啟方式。而對(duì)于泄爆螺栓系統(tǒng)對(duì)爆炸的泄爆研究卻很少，本文對(duì)點(diǎn)支式泄爆螺栓系統(tǒng)在不同的爆炸沖擊荷載作用下的破壞特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 泄爆螺栓系統(tǒng)的泄爆原理

爆炸的瞬時(shí)能夠釋放巨大的能量并產(chǎn)生各種破壞效應(yīng)，但對(duì)建筑物破壞力最強(qiáng)、破壞區(qū)域最大的還是爆炸沖擊荷載的破壞效應(yīng)[4]。當(dāng)建筑內(nèi)部產(chǎn)生爆炸后，沖擊波瞬時(shí)對(duì)建筑的屋面板、墻板產(chǎn)生巨大的沖擊荷載，造成房屋毀壞、倒塌。泄爆螺栓系統(tǒng)(圖1)是一種高效的泄爆系統(tǒng)，其原理為：利用泄爆螺栓、泄爆墊片和金屬套筒組合的定位裝置將墻板和屋面板固定在框架上，屋內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí)，沖擊荷載對(duì)墻板產(chǎn)生爆炸壓力，墻板受沖擊波超壓而沿沖擊波方向移動(dòng)，對(duì)泄爆墊片產(chǎn)生擠壓剪切作用導(dǎo)致泄爆墊片破壞，從而使墻板與框架結(jié)構(gòu)分離，泄爆墊片的受力破壞對(duì)爆炸沖擊波是一次削弱，同時(shí)墻板與框架的分離降低了沖擊波超壓并起到了泄爆的目的。為了保證安全，墻板與框架結(jié)構(gòu)之間連接一根牽引索，防止墻板飛出造成二次傷害。

圖1 泄爆螺栓系統(tǒng)泄爆原理

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)所用墻板采用巖棉夾心鋼板，規(guī)格為1 000 mm×1 000 mm×50 mm，如圖2所示，共兩塊；四個(gè)角的1-4號(hào)孔洞為螺栓孔，孔洞直徑為17 mm，中部兩孔為牽引索孔。試驗(yàn)時(shí)固定墻板的鋁制框架外邊框規(guī)格為1 m×1.05 m，內(nèi)邊框?yàn)?.80 m×0.85 m。泄爆螺栓系統(tǒng)采用的泄爆螺栓直徑為5.5mm，長度為75mm；泄爆墊片由鋁合金和橡膠組合，直徑為19 mm，厚度為2.5 mm，其中鋁合金墊片厚0.5 mm，橡膠厚2 mm；金屬套管外徑17 mm，內(nèi)徑6 mm，高50 mm，如圖3所示。試驗(yàn)爆炸源采用PETN/TNT(質(zhì)量比1∶1)的混合炸藥，炸藥參數(shù)如表1所示。利用泄爆螺栓系統(tǒng)將墻板固定在鋁制框架外邊框，并連接牽引索，將藥柱放置在支架上，炸藥中心點(diǎn)與試驗(yàn)墻板中心等高，準(zhǔn)備完畢，人員離場，通過點(diǎn)火系統(tǒng)遠(yuǎn)程引爆炸藥，共進(jìn)行了三組試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4，試驗(yàn)分組信息見表2。

圖2 墻板布局

圖3 泄爆螺栓組合

密度/(g·cm-3)直徑/mm高/mm質(zhì)量/g1.6095951 000

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)分組試件編號(hào)藥柱裝藥量/kg距離地面高度/m實(shí)際裝藥距離/m第1組第2組第3組1號(hào)板1號(hào)板2號(hào)版11.326.155.126.15

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

圖5和圖6為第一組試驗(yàn)在爆炸沖擊荷載作用前后1-4號(hào)孔位處的泄爆螺栓系統(tǒng)圖，其中1號(hào)和4號(hào)(如圖6)孔位的兩個(gè)泄爆墊破壞嚴(yán)重，并隨泄爆螺栓退進(jìn)墻板孔洞中，造成墻板與框架部分脫離，1號(hào)孔位處墻板脫離框架1.5 cm(如圖7)，4號(hào)孔位處墻板脫離框架1.1 cm(如圖7)，雖然這兩處泄爆螺栓系統(tǒng)未與墻板完全脫離，但已失去對(duì)墻板的嵌固作用。2號(hào)和3號(hào)(如圖6)孔位的泄爆墊片發(fā)生比較嚴(yán)重的皺褶，但并未完全破壞，墻板與框架也并未發(fā)生脫離(如圖7)，泄爆螺栓系統(tǒng)并仍對(duì)墻板有一定的嵌固作用。

圖5 試驗(yàn)前1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓圖

圖6 試驗(yàn)后1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖7 試驗(yàn)后1-4號(hào)孔位處墻板脫離圖

圖8和圖9為第二組試驗(yàn)在爆炸沖擊荷載作用前后1-4號(hào)孔位處的泄爆螺栓系統(tǒng)圖。在沖擊荷載作用下，墻板四個(gè)孔位的泄爆墊片完全破壞，并隨泄爆螺栓退進(jìn)墻板孔中，造成墻板與框架發(fā)生嚴(yán)重脫離，此泄爆螺栓系統(tǒng)雖未與墻板完全脫離，但已失去對(duì)墻板的嵌固作用(如圖10)。

圖8 試驗(yàn)前1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓圖

圖9 試驗(yàn)后1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖10 試驗(yàn)后墻板脫落程度以及破壞的整體視圖

圖11和圖12為第三組試驗(yàn)在爆炸沖擊荷載作用前后1-4號(hào)孔位處的泄爆螺栓系統(tǒng)圖。其中1號(hào)(如圖12)和3號(hào)(如圖12)孔位的兩個(gè)泄爆墊破壞嚴(yán)重，并隨泄爆螺栓退進(jìn)墻板孔洞中，2號(hào)孔位(如圖12)泄爆墊片上有明顯的兩個(gè)皺褶， 4號(hào)(如圖12)孔位泄爆墊的鋁片和橡膠發(fā)生部分輕微脫離，但兩個(gè)泄爆墊片均未完全破壞，泄爆螺栓系統(tǒng)仍對(duì)墻板具有嵌固作用，1號(hào)和3號(hào)孔位處墻板已脫離框架(如圖13)。

圖11 試驗(yàn)前1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓圖

圖12 試驗(yàn)后1-4號(hào)孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖13 試驗(yàn)后1-3號(hào)孔位墻板脫落程度以及破壞現(xiàn)象

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)爆炸沖擊對(duì)泄爆螺栓系統(tǒng)的破壞現(xiàn)象，以泄爆墊片的鋁片與橡膠是否發(fā)生嚴(yán)重剝離以及泄爆墊片是否退進(jìn)板內(nèi)為兩個(gè)臨界條件，將其劃分為3個(gè)破壞程度：輕度破壞、中度破壞和嚴(yán)重破壞。以泄爆墊的鋁片與橡膠片發(fā)生部分輕微脫離為輕度破壞；當(dāng)泄爆墊的鋁片與橡膠片發(fā)生部分嚴(yán)重剝離，并產(chǎn)生明顯皺褶，但泄爆墊未整體退進(jìn)板內(nèi)，與墻板仍具有一定的嵌固作用，視為中度破壞；若泄爆墊完全破壞并退進(jìn)墻板之中，造成墻板與框架完全脫離，視為嚴(yán)重破壞。3組試驗(yàn)泄爆螺栓系統(tǒng)破壞程度如表3所示。

表3 三組泄爆螺栓系統(tǒng)破壞程度

從表3可以看出，對(duì)于第一組和第三組的相同試驗(yàn)，泄爆螺栓系統(tǒng)的破壞情況有一定的差別，考慮爆炸沖擊波的特性，試驗(yàn)結(jié)果基本一致，當(dāng)墻板距離爆心水平距離為6.15 m時(shí)，泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體中度破壞，當(dāng)墻板距離爆心水平距離為5.12 m時(shí)，泄爆螺栓系統(tǒng)則發(fā)生整體嚴(yán)重破壞。

4 沖擊波峰值超壓分析

對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊波的傳播規(guī)律主要用沖擊波超壓、峰值超壓、沖量、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)描述，其中最重要的參數(shù)是峰值超壓，沖擊波的峰值超壓Δp指的是沖擊波陣面上的峰值壓力pf減去空氣中的原始?jí)毫0(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。1973年，Baker提出用TNT當(dāng)量比例距離估算超壓，即沖擊波超壓可由等效TNT當(dāng)量W以及距地面上爆炸源點(diǎn)的距離R來估算。比例距離Z定義為：

Z=R/W1/3

(1)

式中，R為測點(diǎn)與爆心之間的距離(m)；W為等效TNT藥量(kg)。

目前，大量研究者對(duì)空氣中的沖擊波參數(shù)進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，見式(2)～(8)。

Sadovskyi[5]根據(jù)模型相似律理論建立比例距離關(guān)系比較式，由試驗(yàn)確定系數(shù)，得到高爆炸藥沖擊波峰值超壓(單位：MPa)的表達(dá)式為：

(2)

Brode[6]用模型相似理論給出了TNT爆炸沖擊波峰值超壓(單位：MPa)的表達(dá)式：

(3)

Henrych[7]用試驗(yàn)的方法得到了沖擊波峰值超壓(單位：MPa)公式：

(4)

Mills[8]用相似理論及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得到了TNT爆炸沖擊波超壓(單位：MPa)的表達(dá)式：

(5)

仲倩等[9]通過測試系統(tǒng)結(jié)果與理論研究的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，利用爆炸相似率，進(jìn)行函數(shù)擬合，得到?jīng)_擊波作用下的超壓(單位：MPa)公式：

(6)

吳彥捷[10]等將大量的經(jīng)驗(yàn)公式的加權(quán)平均值作為依據(jù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正，得到統(tǒng)一的沖擊波超壓(單位：MPa)修正計(jì)算公式：

(7)

張玉磊等[11]對(duì)大量超壓公式進(jìn)行擬合得到的超壓(單位：MPa)公式，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果十分相近：

(8)

本試驗(yàn)采用1 kg的PENT與TNT等質(zhì)量1∶1混合炸藥，其TNT當(dāng)量約為1.29 kg[12]。采用以上計(jì)算公式算的沖擊波超壓如表4所示。

表4 不同公式計(jì)算得到的超壓峰值

從表4可以看出，早期的文獻(xiàn)Sadovsky[5](1952年)、Brode[6](1959年)、henrych[7](1979年)、mills[8](1987年)所測超壓值相差不大，隨著試驗(yàn)技術(shù)的更新以及試驗(yàn)方法的改進(jìn)，仲倩[9](2010年)、吳彥捷[10](2014年)和張玉磊[11](2016年)得出的超壓值明顯高于以往的經(jīng)驗(yàn)公式。

當(dāng)爆心距離墻板為5.12 m時(shí)，墻板所受的沖擊超壓為0.031 0～0.069 0 MPa， Brode[6]公式計(jì)算結(jié)果最小，張玉磊[11]公式計(jì)算結(jié)果最大，平均約為0.043 1 MPa；當(dāng)爆心距離墻板為6.15 m時(shí)，墻板所受的沖擊超壓為0.023 2～0.048 7 MPa，Brode[6]公式計(jì)算結(jié)果最小，張玉磊[11]公式計(jì)算結(jié)果最大，平均約為0.031 3 MPa。如果以墻板距離爆心水平距離6.15 m時(shí)泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體中度破壞為破壞準(zhǔn)則，將墻板所受的沖擊荷載平均分配給每個(gè)泄爆螺栓，則單個(gè)泄爆螺栓可以承受的最大爆炸沖擊荷載約為7.825 kN。如果以墻板距離爆心5.12 m時(shí)泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體嚴(yán)重破壞為準(zhǔn)則，則單個(gè)泄爆螺栓可承受的最大爆炸沖擊荷載約為10.775 kN。

5 結(jié)論

1) 爆炸沖擊對(duì)泄爆螺栓系統(tǒng)的破壞作用主要發(fā)生在泄爆墊片，根據(jù)泄爆墊片是否發(fā)生嚴(yán)重剝離以及是否退進(jìn)板內(nèi)為兩個(gè)臨界條件，對(duì)泄爆螺栓的破壞程度劃分為三個(gè)等級(jí)：輕度破壞、中度破壞、嚴(yán)重破壞。

2) 當(dāng)墻板距離爆心為6.15 m時(shí)，泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體中度破壞，當(dāng)墻板距離爆心為5.12 m時(shí)，泄爆螺栓系統(tǒng)則發(fā)生嚴(yán)重破壞。

3) 如果以墻板距離爆心水平距離6.15m時(shí)泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體中度破壞為破壞準(zhǔn)則，將墻板所受的沖擊荷載平均分配給每個(gè)泄爆螺栓，則單個(gè)泄爆螺栓可以承受的最大爆炸沖擊荷載約為7.825 kN。如果以墻板距離爆心5.12 m時(shí)泄爆螺栓系統(tǒng)發(fā)生整體嚴(yán)重破壞為準(zhǔn)則，則單個(gè)泄爆螺栓可承受的最大爆炸沖擊荷載約為10.775 kN。