防爆擋墻對爆炸空氣沖擊波防護效應的數值模擬研究

摘要：本文采用ANSYS/AUTODYN軟件，研究了爆炸空氣沖擊波的衰減規律和防爆擋墻對沖擊波的防護效應。分別在無擋墻及有擋墻防護的條件下，對爆炸形成的空氣沖擊波作了計算分析，并考慮了兩種尺寸的防爆擋墻對爆炸沖擊波防護效應的作用及影響。模擬結果表明，爆炸空氣沖擊波衰減的規律與經驗公式對比存在一定的可信范圍內的誤差；一座科學、合理設置的防爆擋墻確實能起到降低沖擊波危害的效果，而改變擋墻的尺寸，可以影響防護效果的好壞。通過分析和模擬結果，可以為爆炸安全的研究提供一定的依據和參考。

關鍵詞：爆炸沖擊波 防爆擋墻 數值模擬

0 引言

近幾年由于蓄意破壞或人為失誤所造成的爆炸事故不斷發生，而爆炸對建筑物的損傷與破壞造成了巨大的生命和財產損失。因此，對于易于遭受爆炸破壞的建筑物需要進行抗爆設計與加固[1]。

防爆擋墻可以減弱炸藥爆炸產生的沖擊波、碎片對建筑的危害。構筑防爆擋墻是抗爆設計的方式之一。

為了研究爆炸空氣沖擊波的傳播規律，驗證防爆擋墻對爆炸空氣沖擊波的防護效果是否有效，進一步了解爆炸空氣沖擊波在有阻礙物條件下的傳播規律，本文應用非線性顯示有限元分析軟件AUTODYN建立了爆炸沖擊波在三種情況下，即無防爆擋墻、有防爆擋墻和寬度及高度增大了的防爆擋墻的傳播模型，進而分析防爆擋墻對爆炸空氣沖擊波的防護效應及影響因素。

1 防爆擋墻的作用

1.1 爆炸破壞因素

爆炸事故發生時，引起破壞的因素大致如下：爆炸產物的直接作用；空氣沖擊波峰值超壓和沖量的作用；固體拋擲物如石頭、碎片向四周飛散的作用；地震波的傳播。一般來說地震波的破壞遠小于空氣沖擊波的作用；物體離爆炸點較遠時，爆炸產物作用不到，對物體無影響；磚石、碎片等固體拋擲物，對物體僅能造成局部破壞，所以，在研究爆炸安全時，主要考慮空氣沖擊波的破壞作用，其次考慮固體拋擲物的作用，再次考慮爆炸產物的作用，最后才考慮地震波的作用。

1.2 防爆擋墻的作用與意義

從爆源自身防護安全和周圍建筑物、人員安全兩個方面考慮，易遭受爆炸破壞的建筑物附近應設置防爆擋墻。

盡管偶然的爆炸事故可能使擋墻遭受破壞，但擋墻的設置可以減低爆炸破壞的程度，如果擋墻在防護過程中受到破壞，那么來自擋墻的二次碎片也必須作為危害評估的一部分進行考慮。

2 數值模型

2.1 空氣模型

計算空氣區域的尺寸為200m*150m*100m，壓強為101.325kPa，密度為1.293kg/m3。計算方法采用3D-Euler Gonunov算法。計算中網格劃分數量為375000個。（見圖1）

2.2 爆源模型

爆源設定為質量6824kg、半徑1m的球形裸裝TNT炸藥。炸藥采用中心起爆，爆心坐標為（20m，75m，0m）。本次計算采用Euler算法。由于計算區域較大，劃分網格數量較多，為了使計算更加快速、方便，在炸藥起爆初始階段，采用1D-Eluer方式計算炸藥的起爆，待炸藥起爆的到一定時候后再將結果映射到3D-Euler空氣網格中去繼續計算。1D-Eluer計算中網格劃分數量為200個，計算區域半徑為10m。（見圖2）

2.3 防爆擋墻模型

工況2中擋墻長寬高分別為90m，2m，10m，工況3中擋墻長寬高分別為130m，2m，20m，擋墻迎爆面距爆心的距離都為136m。

實際工程中，防爆擋墻一般采用混凝土結構。而本次計算擋墻設計在距爆心140m處，由下述經驗公式（4）計算得出，距爆心140m（距離背爆面2m）處上述藥量爆炸產生的沖擊波壓力峰值為113.4kPa，遠小于混凝土墻的屈服強度，所以本次計算認為爆炸產生的空氣沖擊波不會對混凝土墻產生破壞效果，即基本不會發生塑性形變。由上述分析認為本次計算中混凝土墻可以近似的看作是剛性墻，在其他計算中，也可以采用這種方式驗算，考慮是否需要用剛性墻代替混凝土墻，可以減少計算時間。AUTODYN中Euler算法的缺省邊界條件默認為剛性避免，所以采用挖空Euler區域的方法等效的代替剛性墻。

3 材料模型及相關參數

3.1 高能炸藥模型和JWL方程

裸裝TNT炸藥選用高能炸藥模型，該模型可以描述炸藥的爆轟過程，表1給出了計算中TNT炸藥材料的參數值。

3.2 理想氣體模型

空氣采用理想氣體模型，材料參數見表2[3]。

4 計算結果

4.1 工況1：無擋墻沖擊波傳播的模擬

計算結果說明與分析：探針16，26，36，46的距地面高度分別為2m，6m，10m，12m。由上述經驗公式（4）計算的壓強值為113.4kPa，與上圖中108.3kPa結果對照，模擬結果與經驗公式計算結果比較吻合，誤差不足5%。從而也初步驗證了本次數值模擬是可信的。

計算結果說明與分析：探針1，2，3，4距爆心距離分別為0m，40m，60m，80m。從中可以看出明顯的沖擊波衰減現象。下圖6為經驗公式計算的沖擊波衰減規律，對比兩波形基本類似。

4.2 工況2：沖擊波作用于長90m高10m擋墻的模擬

計算結果說明與分析：和圖4對比可知，有擋墻存在后，上述四點的峰值壓力有一定程度的降低，而且各點達到峰值壓力的時間也不相同，這顯然是由于擋墻的防護效果引起的，從中也可以看出存在擋墻確實起到了一定的防護效果。

5 結論

①工況1模擬結果與經驗公式計算結果比較吻合，誤差不足5%。從而驗證了爆炸空氣沖擊波是隨著距離的增加而衰減的。②構筑防爆擋墻確實可以降低爆炸空氣沖擊波的危害。③增高防爆擋墻的高寬度可以起到更好的防護作用。④防爆擋墻后方應該存在一個最佳的防護位置，可以使爆炸空氣沖擊波的危害減小到最小。

參考文獻：

[1]LI Zhongxian，DU Hao，BAO Chunxiao.A review of current researches on blast load effects on building structures in China[J].Transactions of Tianjin University，2006，12(Suppl.):35-41.

[2]惲壽榕，趙衡陽.爆炸力學[M].北京：國防工業出版社，2005.

[3]張寶平，張慶明，黃風雷.爆轟物理學[M].北京：兵器工業出版社，2006.

[4]亨利奇.爆炸動力學及其應用（1979年版）[M].熊建國，譯.北京：科學出版社，1987.