新型柵欄式防爆墻研究現(xiàn)狀及理論分析

祁兵，孫世梅，蔣海峰，金佩劍，隋鵬飛

（吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130118）

一、柵欄式防爆墻研究現(xiàn)狀

目前柵欄式防爆墻的研究主要在材料的吸能能力和削弱爆炸沖擊波的能量?jī)蓚€(gè)方面。好的材料可快速傳遞熱量吸收能量并阻止火焰?zhèn)鞑?，從而防止爆炸事故。Davidson等[1-2]通過對(duì)爆炸荷載作用下纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）加固砌體墻結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，揭示使用噴涂聚合物可以提高無筋混凝土砌體墻的抗爆性能。而材料的結(jié)構(gòu)對(duì)阻止火焰?zhèn)鞑3-4]有重要影響，材料孔隙越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，反之越慢。防爆材料的比表面積大，可以使吸收的熱量迅速消散，降低能量[5]。Be Gelfand等人通過沖擊波在多孔介質(zhì)中傳播的研究表明，固體材料的骨架結(jié)構(gòu)與沖擊波在氣流方向上的傳播速度顯著相關(guān)[6]。

很多學(xué)者通過有限元分析軟件建立仿真模型對(duì)防爆墻的性能進(jìn)行數(shù)值模擬。Ennis S T等人[7]開發(fā)了一種精細(xì)化模型用來模擬砌體防爆墻在爆炸荷載作用下的響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)高估了無筋磚防爆墻的靜荷載承載力。Eamon C D等[8]修正了上述精細(xì)化模型，證實(shí)修改后的精細(xì)化數(shù)值模型能夠很好地預(yù)測(cè)砌體防爆墻的響應(yīng)和破壞情況。Wei和Hao[9]開發(fā)了砌體防爆墻的勻質(zhì)動(dòng)態(tài)材料模型，通過該模型對(duì)砌體防爆墻的爆炸荷載作用響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)該模型可以節(jié)省大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。Shi等[10]進(jìn)行了大當(dāng)量爆炸荷載作用下無筋砌體墻碎片特征分析，明確了碎片的尺寸分布服從威布爾分布的關(guān)系。也有不少學(xué)者研究防爆墻形狀對(duì)削弱沖擊波能量的影響，Takayama等[11]發(fā)現(xiàn)半球形實(shí)體比圓柱形實(shí)體對(duì)爆炸波的減弱效果更好。Kojiro等[12]通過激波管試驗(yàn)研究了圓棒陣列對(duì)激波衰減的影響得出結(jié)論：隨著圓棒陳列層數(shù)的增加，靜壓力會(huì)降低。Chaudhuri等[13]進(jìn)行了爆炸波傳播經(jīng)過不同排布和不同截面的實(shí)體障礙物的數(shù)值模擬研究，他們發(fā)現(xiàn)在所有進(jìn)行的情況中，交錯(cuò)排列的反向三角形障礙對(duì)沖擊波的衰減是最有效的。

二、柵欄式防爆墻理論分析

（一）柵欄式防爆墻簡(jiǎn)介

發(fā)生化工爆炸后造成的破壞作用主要有四個(gè)方面：震蕩作用、沖擊波作用、碎片沖擊造成二次破壞作用和熱輻射作用。其中，最危險(xiǎn)、破壞力最強(qiáng)的就是沖擊波作用。柵欄式防爆墻與傳統(tǒng)防爆墻吸收爆炸能量的方式不同。柵欄式防爆墻柱體構(gòu)件采用“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”吸能防護(hù)理論，外部殼體采用剛性防護(hù)材料、內(nèi)部填充物采用塑性吸能材料，采用這種吸能防護(hù)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能增加柱體的整體強(qiáng)度，也能降低墻體破壞后碎片產(chǎn)生的二次破壞。柵欄式防爆墻是用“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”吸能防護(hù)理論設(shè)計(jì)的柱體構(gòu)件與沖擊波的傳播、干涉衍射理論相結(jié)合，通過合理優(yōu)化的布置，達(dá)到最佳防爆吸能效果的防爆墻。柵欄式防爆墻利用柱體自身的性能及相鄰柱間的干涉衍射作用，可以節(jié)省大量材料和建設(shè)成本，也降低了墻體本身造成二次破壞。柵欄式防爆墻整體設(shè)計(jì)如下圖1所示。

圖1 柵欄式防爆墻總體設(shè)計(jì)圖

（二）理論分析

在一定的爆炸沖擊波作用下，對(duì)“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”復(fù)合結(jié)構(gòu)與“強(qiáng)—強(qiáng)—強(qiáng)”復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆機(jī)理進(jìn)行分析[3]。因?yàn)椴煌牧献陨砦锢硖匦缘牟煌óa(chǎn)生的沖擊波在不同的介質(zhì)材料中傳播時(shí)，導(dǎo)致沖擊波會(huì)在經(jīng)過兩層不同物理特性的介質(zhì)材料的分界面時(shí)產(chǎn)生一定的投射波以及反射波[5]，由分界面的連續(xù)條件可知，不同介質(zhì)材料在分界面處的壓力、質(zhì)點(diǎn)速度相等，當(dāng)界面兩側(cè)介質(zhì)由于其波阻抗物理特性不同時(shí)，產(chǎn)生的透射波和反射波的強(qiáng)度分別為：

式中：σT為透射波強(qiáng)度；

σR為反射波強(qiáng)度；

σ1為第一層材料入射波強(qiáng)度；

ρ1為第一層材料密度；

C1為第一層材料彈性波速；

ρ2為第二層材料密度；

C2為第二層材料彈性波速；

PC為材料的波阻抗。

透射波系數(shù)T：

反射波系數(shù)R：

由式（2-3）、（2-4）可得出：當(dāng)?shù)谝粚硬牧系牟ㄗ杩剐∮诘诙硬牧系牟ㄗ杩箷r(shí)，即反射波系數(shù)大于0。透射波系數(shù)大于1，可知透射波應(yīng)力幅值強(qiáng)于入射波。波阻抗低的介質(zhì)傳入波阻抗高的介質(zhì)；當(dāng)?shù)诙硬牧系牟ㄗ杩剐∮诘谝粚硬牧系牟ㄗ杩箷r(shí)，反射波系數(shù)小于0。透射波系數(shù)小于1，可知透射波應(yīng)力幅值弱于入射波。波阻抗高的介質(zhì)傳入波阻抗低的介質(zhì)，波阻抗低的介質(zhì)可以起到減震緩沖的作用[6]。

根據(jù)以上的原理，對(duì)鋼—泡沫鋁—鋼波阻抗低的復(fù)合構(gòu)件與鋼—混凝土—鋼波阻抗高的復(fù)合構(gòu)件（見圖2）進(jìn)行抗爆減震效果對(duì)比分析。在復(fù)合構(gòu)件中，材料所需參數(shù)如下表1所示。

圖2 應(yīng)力波傳播示意圖

表1 材料參數(shù)

假設(shè)沖擊波在鋼板中產(chǎn)生應(yīng)力波峰值ρT1為，進(jìn)入夾心的應(yīng)力波峰值ρT2為：

接著，應(yīng)力波從夾芯材料進(jìn)入后鋼板，其反射波應(yīng)力波峰值σT3為：

應(yīng)力波在鋼—混凝土—鋼復(fù)合構(gòu)件中傳播時(shí)的衰減程度的計(jì)算方法同上，

σT3=0.62σT1

當(dāng)采用泡沫鋁為夾芯材料時(shí)，應(yīng)力波在鋼—泡沫鋁—鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)傳播時(shí)，其應(yīng)力波峰值應(yīng)力衰減為原來的0.056倍；當(dāng)采用混凝土夾芯材料時(shí)，其應(yīng)力波峰值應(yīng)力衰減為原來的0.62倍，就應(yīng)力衰減效果而言，兩者間相差11倍。兩種夾芯材料進(jìn)行對(duì)比，混凝土強(qiáng)度高，但其塑性應(yīng)變沒有泡沫鋁高，抗爆能力強(qiáng)；泡沫鋁強(qiáng)度不高，但其塑性應(yīng)變高，吸能效果好。對(duì)于復(fù)合構(gòu)件而言，泡沫鋁比混凝土具有更好的抗爆吸能效果。所以，復(fù)合構(gòu)件的內(nèi)夾芯層應(yīng)選用塑性吸能材料進(jìn)行填充，而非剛性材料。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，防爆墻被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)防爆墻，新型柵欄式防爆墻建造成本低，吸能效果好。綜合上述兩種復(fù)合構(gòu)件進(jìn)行抗爆減震效果。內(nèi)芯夾層泡沫鋁與混凝土相比，強(qiáng)度不高，但其塑性應(yīng)變高，吸能效果好。內(nèi)芯夾層運(yùn)用塑性吸能材料取得的效果較好。利用吸能防護(hù)理論與沖擊波的傳播、干涉衍射理論相結(jié)合為后續(xù)防爆墻設(shè)計(jì)提供參考。