汽車炸彈爆炸作用下防爆墻防護(hù)效應(yīng)試驗(yàn)研究

張志剛，曹洪瑞，冷冰林

(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安 710038；2.南部戰(zhàn)區(qū)空軍保障部機(jī)營(yíng)處，廣州 510000)

在當(dāng)今世界政治環(huán)境下，汽車炸彈襲擊已成為恐怖襲擊中最常見的方式，其威脅性大、殺傷力強(qiáng)，會(huì)對(duì)重要建筑物以及人員造成極大破壞，因此抵御汽車炸彈爆炸破壞效應(yīng)的需求不斷增加?？焖倨囱b式防爆墻是重要建筑物防護(hù)恐怖爆炸襲擊的重要措施之一，它能很好地削弱汽車炸彈爆炸對(duì)墻后防護(hù)目標(biāo)的破壞作用，對(duì)墻后重要目標(biāo)起到有效地防護(hù)效應(yīng)[1-4]。

近年來，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防爆墻的抗爆性能以及防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，取得較好的進(jìn)展。Scherbatiuk K等[5]采用LS-DYNA軟件對(duì)混凝土防爆墻進(jìn)行了有限元分析，并結(jié)合爆炸試驗(yàn)結(jié)果，提出了一種考慮墻底滑移和變形的混合剛體轉(zhuǎn)動(dòng)模型，該模型考慮了不同土壤參數(shù)對(duì)防爆墻轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，并給出了混凝土防爆墻的有效高寬比范圍；Zhou X Q等[6]采用AUTODYN 3D軟件模擬了爆炸沖擊波與防爆墻的相互作用過程，研究了剛性防爆墻后建筑物爆炸沖擊波反射超壓分布，提出了一種可用于計(jì)算防爆墻后建筑物所受爆炸沖擊波的擬合公式；Li W S等[7]采用ABAQUS軟件模擬了爆炸荷載下鋼筋混凝土墻體的動(dòng)力響應(yīng)情況，提出了合理的加固和外部條件可提高鋼筋混凝土墻的抗爆性能；Su Q Q等[8]采用LS-DYNA軟件建立了網(wǎng)殼防爆墻模型的分析模型，分析了爆炸沖擊波繞射防爆墻的傳播規(guī)律，得到了防爆墻對(duì)爆炸沖擊波衍射和反射作用的影響規(guī)律；Rattanawancharoen N等[9]通過對(duì)填土防爆墻的爆炸試驗(yàn)得到其壓力-時(shí)間和位移-時(shí)間變化情況，并采用LS-DYNA軟件對(duì)填土防爆墻的有限元模型進(jìn)行了爆炸模擬，通過比較試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果得到了影響兩者結(jié)果差異的因素；Rose T A等[10]利用爆炸相似率，建立了十分之一比例的防爆墻模型，研究了不同材料防爆墻對(duì)爆炸沖擊波的削弱作用；張志剛等[11]采用AUTODYN軟件對(duì)不同墻體高度、比例爆距和爆炸位置的計(jì)算模型進(jìn)行模擬，得出了影響防爆墻消波性能的因素，并提出了計(jì)算墻后超壓大小的擬合公式；張千里等[12]運(yùn)用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)爆炸沖擊波作用于防爆墻的荷載與繞流規(guī)律進(jìn)行研究，得到了爆炸沖擊波環(huán)流的內(nèi)在機(jī)理；CHAPMAN T C等[13]通過防爆屏障十分之一模型的爆炸試驗(yàn)，得到了炸藥的裝藥尺寸和幾何構(gòu)型對(duì)防爆屏障后目標(biāo)的壓力參數(shù)，并基于此得到了一種可以預(yù)測(cè)防爆屏障后防護(hù)目標(biāo)上某一點(diǎn)爆炸沖擊波峰值反射超壓的技術(shù)。

以往的防爆墻抗爆性能試驗(yàn)研究大多數(shù)是通過小當(dāng)量炸藥爆炸試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方式來進(jìn)行，試驗(yàn)使用的炸藥當(dāng)量小，與現(xiàn)實(shí)恐怖襲擊中汽車炸彈的爆炸破壞作用還存在較大的差距。筆者針對(duì)快速拼裝式防爆墻進(jìn)行602 kg TNT汽車炸彈試驗(yàn)，來模擬恐怖襲擊時(shí)汽車炸彈爆炸的破壞作用，對(duì)大當(dāng)量汽車炸彈爆炸作用下快速拼裝式防爆墻的防護(hù)效應(yīng)進(jìn)行研究，對(duì)有效防護(hù)汽車炸彈襲擊具有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)利用皮卡車承載602 kg TNT制作等效汽車炸彈(炸藥放置在皮卡車車廂內(nèi)直接引爆)，通過觀察防爆墻的破壞情況以及分析沖擊波超壓測(cè)試數(shù)據(jù)，直接檢驗(yàn)不同構(gòu)筑方式的組合防爆墻抗傾覆性能和消波性能。

2)在防爆墻后面有散放的山羊和裝有山羊的集裝箱，用來模擬人員。通過觀測(cè)墻后山羊和集裝箱內(nèi)山羊的生命體征，檢驗(yàn)防爆墻抵抗汽車炸彈襲擊損傷的能力。

1.2 試驗(yàn)裝置

為更好地實(shí)現(xiàn)利用皮卡車(自重2.3 t)承載602 kg TNT炸藥組成汽車炸彈的實(shí)爆效果。根據(jù)文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn)，防爆墻墻體高度越小、TNT炸藥的爆高越大，防爆墻墻后入射超壓越大。本試驗(yàn)中炸藥由兩塊高64 cm、直徑31 cm的301 kg圓柱體TNT裸藥柱上下堆疊組成，以此來增加爆心高度和減小墻體與炸藥的相對(duì)高度，模擬炸藥爆炸的最不利情況，汽車炸彈實(shí)物如圖1所示。

圖1 汽車炸彈Fig.1 Car bomb

快速拼裝式防爆墻內(nèi)可填充砂、土或就地取材的土石、建筑垃圾等，考慮到墻體在受到爆炸沖擊后石子等會(huì)飛濺，對(duì)防護(hù)目標(biāo)造成二次傷害，因此墻體內(nèi)填充細(xì)砂，裝填密度為1 695 kg/m3。試驗(yàn)所用組合防爆墻由不同防爆墻單元組成，防爆墻單元由低碳鋼絲焊接組成骨架，內(nèi)襯高抗拉優(yōu)質(zhì)土工布，再經(jīng)填充細(xì)砂形成長(zhǎng)方體墻體單元，墻體內(nèi)細(xì)砂由人工壓實(shí)，不同型號(hào)防爆墻單元的規(guī)格尺寸如表1所示。

表1 防爆墻單元尺寸

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 防爆墻布置

為了更好地模擬汽車炸彈對(duì)重要建筑物的破壞作用，將不同尺寸形狀防爆墻按照?qǐng)D2進(jìn)行布設(shè)，其中距離實(shí)爆中心不同位置分別設(shè)置不同規(guī)格的防爆墻。墻體布置保證每組墻面中心與爆炸中心在一條直線上，且保證爆炸波傳遞到所有墻體迎爆面上。

注：1～4表示防爆墻圖2 汽車炸彈爆炸試驗(yàn)布置Fig.2 Car bomb explosion test layout

圖2中I、II、III號(hào)廢舊集裝箱為20尺標(biāo)準(zhǔn)海運(yùn)干貨普通集裝箱，集裝箱放置方向均與前面墻體平行；III號(hào)集裝箱內(nèi)放置一只成年山羊，4號(hào)墻后放置一只成年山羊，用來模擬人員。

防爆墻具體構(gòu)筑形式如表2所示，汽車炸彈試驗(yàn)布置全景如圖3所示。

表2 防爆墻構(gòu)筑形式

圖3 汽車炸彈試驗(yàn)布置全景Fig.3 Layout panorama of car bomb test

1.3.2 汽車炸彈與測(cè)點(diǎn)布置

場(chǎng)地布置完成后在爆心處靜爆602 kg TNT炸藥，炸藥爆心距地面1.22 m，爆心距1號(hào)墻迎爆面中心距離為3.8 m，距2號(hào)墻迎爆面中心距離為3.35 m，距3號(hào)墻迎爆面中心距離為4.6 m。汽車炸彈爆炸過程中使用沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)(沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和低噪聲信號(hào)電纜組成)分別測(cè)試1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)防爆墻迎爆面沖擊波超壓；1號(hào)防爆墻墻后3.5、6.5、9、14.5、20.5、26.5、32.5、38.5、44.5、50.5 m處(距地面高1.3 m)的自由場(chǎng)沖擊波超壓；4號(hào)防爆墻墻后2、4.5、10、16、22、28、34、40、46 m處(距地面高1.3 m)的自由場(chǎng)沖擊波超壓，傳感器布置如圖4所示。

注：P1～P26表示傳感器安裝位置圖4 汽車炸彈爆炸試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)布設(shè)Fig.4 Test system layout of car bomb explosion

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

在602 kg TNT汽車炸彈爆炸后，采用目視法檢查墻體和集裝箱的毀傷情況。

1)1號(hào)防爆墻采用雙層結(jié)構(gòu)，其尺寸為3.58 m×1.06 m×2.13 m(墻高×上層厚×下層厚)，在汽車炸彈爆炸后發(fā)生傾覆，墻體土工布被燒毀，鋼網(wǎng)斷裂，墻內(nèi)填充的細(xì)砂坍塌，防爆墻完全破壞(見圖5)。

圖5 汽車炸彈爆后1號(hào)墻迎爆面效果Fig.5 Effect of the front face of the No. 1 wall after the car bomb exploded

2)2號(hào)防爆墻采用雙層結(jié)構(gòu)，其尺寸為3.58 m×2.12 m×3.18 m(墻高×上層厚×下層厚)，在汽車炸彈爆炸后發(fā)生嚴(yán)重傾斜，防爆墻迎爆面一排墻體土工布被燒毀，鋼網(wǎng)發(fā)生斷裂，墻內(nèi)填充的細(xì)砂露出，其余兩排墻體僅發(fā)生嚴(yán)重傾斜，但墻體未受損(見圖6～圖7)。

圖6 汽車炸彈爆后2號(hào)墻迎爆面效果Fig.6 Effect of the front face of the No. 2 wall after the car bomb exploded

圖7 汽車炸彈爆炸后2號(hào)墻側(cè)面效果Fig.7 Effect of the side of the No. 2 wall after the car bomb exploded

3)3號(hào)防爆墻采用三層結(jié)構(gòu)，4.95 m×2.12 m×3.18 m×4.24 m(墻高×上層厚×中層厚×底層厚)，在汽車炸彈爆炸后迎爆面一排墻體土工布被燒毀，鋼網(wǎng)發(fā)生斷裂，墻內(nèi)填充物坍落，但后三排墻體整體保存較好，僅發(fā)生傾斜，傾斜角度為33°，墻體側(cè)面土工布有阻燃現(xiàn)象，未見燒毀(見圖8～圖9)。

圖8 汽車炸彈爆炸后3號(hào)墻迎爆面效果Fig.8 Effect of the front face of the No. 3 wall after the car bomb exploded

圖9 汽車炸彈爆炸后3號(hào)墻側(cè)面效果Fig.9 Effect of the side of the No. 3 wall after the car bomb exploded

4)4號(hào)防爆墻位于2號(hào)防爆墻墻后2.5 m，其尺寸為2.21 m×1.06 m(墻高×墻厚)，在汽車炸彈爆炸后部分墻體發(fā)生較小傾斜，傾斜角度為15°，其余部分未受到破壞(見圖10)。

圖10 汽車炸彈爆炸后4號(hào)墻效果Fig.10 Effect of the No. 4 wall after the car bomb exploded

5)I號(hào)集裝箱發(fā)生嚴(yán)重變形，主要表現(xiàn)在沖擊波從防爆墻頂部繞射對(duì)集裝箱頂部產(chǎn)生的擠壓變形(見圖11)；II號(hào)集裝箱發(fā)生翻轉(zhuǎn)，箱體側(cè)面產(chǎn)生鼓脹變形(見圖12)；III號(hào)集裝箱頂部也產(chǎn)生擠壓，但變形程度較I號(hào)、II號(hào)集裝箱小(見圖13)。

圖11 汽車炸彈爆炸后I號(hào)集裝箱效果Fig.11 Effect of container I after the car bomb exploded

圖12 汽車炸彈爆炸后II號(hào)集裝箱效果Fig.12 Effect of container II after the car bomb exploded

6)集裝箱內(nèi)和4號(hào)墻后的山羊均未死亡，口鼻處無滲血現(xiàn)象，對(duì)山羊?qū)嵤┙馄屎笪窗l(fā)現(xiàn)其內(nèi)臟有破損(見圖14)。

圖14 汽車炸彈爆炸后集裝箱內(nèi)山羊狀態(tài)Fig.14 Goat state in container after car bomb exploded

2.2 超壓測(cè)試結(jié)果

用沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試記錄汽車炸彈爆炸后產(chǎn)生的沖擊波壓力，其測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3～表5、圖15所示。

表3 防爆墻墻面沖擊波峰值超壓測(cè)試結(jié)果

表4 1號(hào)防爆墻沖擊波峰值超壓測(cè)試結(jié)果

表5 4號(hào)防爆墻沖擊波峰值超壓測(cè)試結(jié)果

圖15 防爆墻后各測(cè)點(diǎn)峰值超壓變化情況Fig.15 Change of peak overpressure at each measuring point behind the anti-blast wall

2.3 結(jié)果分析

在研究快速拼裝式防爆墻的防護(hù)性能時(shí)，可將墻體視為剛體，忽略地面振動(dòng)、墻體位移與變形情況?？焖倨囱b式防爆墻受爆炸沖擊波作用后主要破壞形式為繞墻角轉(zhuǎn)動(dòng)的傾覆破壞，當(dāng)防爆墻的墻體越厚時(shí)，其質(zhì)量越大，在受到爆炸沖擊荷載后的墻體轉(zhuǎn)角越小，其抗傾覆性能越好[14]。

爆炸沖擊波在傳播過程中遇到有限尺寸的目標(biāo)時(shí)主要發(fā)生反射與繞流作用，快速拼裝式防爆墻的尺寸寬而不高，沖擊波主要是從墻體上方繞流到墻后[15]，經(jīng)過防爆墻的消波作用后，大大削弱爆炸沖擊波對(duì)墻后目標(biāo)的破壞作用；當(dāng)防爆墻距離較近時(shí)，沖擊波在不同墻體迎爆面間會(huì)發(fā)生反射作用，增大了防爆墻迎爆面超壓。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果分析

1)1號(hào)、2號(hào)防爆墻墻體發(fā)生傾覆，但2號(hào)墻體的變形程度較1號(hào)墻體小，3號(hào)防爆墻發(fā)生33°傾斜，未發(fā)生傾覆，由此可見，3號(hào)墻體抗傾覆性能優(yōu)于1號(hào)、2號(hào)墻體，防爆墻墻體厚度影響其抗傾覆性能，符合文獻(xiàn)[14]的結(jié)論。

2)I號(hào)集裝箱發(fā)生嚴(yán)重變形，II號(hào)集裝箱發(fā)生翻轉(zhuǎn)，箱體側(cè)面產(chǎn)生鼓脹變形，III號(hào)集裝箱頂部也產(chǎn)生擠壓變形，但變形程度較I號(hào)、II號(hào)集裝箱小，由于3號(hào)防爆墻墻體高度高于1號(hào)、2號(hào)墻體，其消波效果更顯著，由此可見，防爆墻墻體高度影響其消波性能。

3)集裝箱內(nèi)與4號(hào)防爆墻后的山羊均未死亡，口鼻處無滲血現(xiàn)象，解剖后未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)臟有破損，由此可見，4組防爆墻對(duì)于墻后活體目標(biāo)具有較好的防護(hù)能力。

2.3.2 沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果分析

1)由表3可得，汽車炸彈爆炸后，到達(dá)1號(hào)、3號(hào)防爆墻墻面的沖擊波峰值超壓平均值分別為31.871 9、33.314 2 MPa，但I(xiàn)II號(hào)集裝箱變形程度較I號(hào)集裝箱小，由此可見，3號(hào)防爆墻的消波性能優(yōu)于1號(hào)防爆墻。

2)由表3和表4可得，汽車炸彈爆炸后，到達(dá)1號(hào)、4號(hào)防爆墻迎爆面的沖擊波峰值超壓分別為30.871 9 MPa、0.507 6 MPa，在經(jīng)過墻體消波作用后，墻后沖擊波峰值超壓最大值分別為0.678 8 MPa、0.096 9 MPa，1號(hào)、4號(hào)墻體的消波效應(yīng)分別為97%、81%，有顯著的消波性能，墻體布設(shè)高度至少為2 m。

3)由圖15可得，隨著墻后距離的增加，墻后的峰值超壓總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，在靠近墻體的地方變化效果較為明顯，且隨著墻后距離的增大，其對(duì)墻后遠(yuǎn)場(chǎng)峰值超壓的影響逐漸減弱；1號(hào)墻墻后的峰值超壓在背爆面到10 m之間衰減最快。

4)分析圖15可知，防爆墻后沖擊波峰值超壓隨墻后距離的增大呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)，這是由于爆炸沖擊波遇到防爆墻后，主要從墻體上方繞流到后方，到達(dá)地面后發(fā)生反射，當(dāng)反射波與繞流沖擊波相遇后形成馬赫反射，使其沖擊波超壓增大；1號(hào)墻與2號(hào)墻墻后峰值超壓相差不大，其原因?yàn)?號(hào)墻后加設(shè)了一道消波墻，消波墻的存在再次改變了沖擊波繞射規(guī)律，對(duì)超壓起到了二次削減作用，因此在墻后1～2.5倍墻高處加設(shè)一道消波墻可有效削減馬赫反射沖擊波。

5)文獻(xiàn)[16]研究發(fā)現(xiàn)，由于防爆墻的存在，作用于防爆墻迎爆面的沖擊波反射超壓比墻后沖擊波的最大繞射超壓大1個(gè)數(shù)量級(jí)，防爆墻消波作用顯著，由表3、表4中1號(hào)墻各測(cè)點(diǎn)的沖擊波峰值超壓測(cè)試結(jié)果來看，迎爆面的沖擊波反射超壓比墻后沖擊波最大繞射超壓大2個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)墻體之間距離較近，沖擊波超壓在各墻體間反射作用的結(jié)果，進(jìn)一步說明防爆墻具有顯著的消波作用；由表3、表4可得，4號(hào)墻與其他墻體間不存在沖擊波的反射作用，作用于4號(hào)墻迎爆面的沖擊波反射超壓比墻后沖擊波的最大繞射超壓大1個(gè)數(shù)量級(jí)，符合文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果。

3 結(jié)論

1)汽車炸彈爆炸沖擊波對(duì)防爆墻后目標(biāo)的破壞作用主要是由于頂部繞射的沖擊波造成，因此，防爆墻墻體高度是影響其消波性能的主要因素，當(dāng)墻體布設(shè)高度大于2 m時(shí)，本試驗(yàn)構(gòu)筑的快速拼裝式防爆墻的消波效應(yīng)可達(dá)81%以上，能有效抵抗汽車炸彈爆炸沖擊波的破壞，具有顯著的消波性能，對(duì)墻后設(shè)施具有良好的防護(hù)效果。

2)汽車炸彈爆炸沖擊波在經(jīng)防爆墻消波作用后，沖擊波在墻后發(fā)生馬赫反射，使墻后沖擊波峰值超壓隨墻后距離的增大呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)。

3)在實(shí)際構(gòu)筑防爆墻進(jìn)行防護(hù)時(shí)，可于墻后1～2.5倍墻高處加設(shè)一道消波墻，能進(jìn)一步提高對(duì)墻后目標(biāo)的防護(hù)作用。

4)本試驗(yàn)構(gòu)筑的快速拼裝式防爆墻組合能有效抵抗汽車炸彈爆炸沖擊波對(duì)墻后活體目標(biāo)的襲擊損傷，對(duì)墻后的活體目標(biāo)起到較好的防護(hù)效果。