泄爆螺栓系統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 土木工程學院， 鄭州 450001； 2 鄭州安筑實業有限公司， 鄭州 450016)

建筑物的泄爆已經越來越受人們的關注，如果發生爆炸，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，后果不堪設想。因此需要對爆炸沖擊波合理釋放，當建筑發生爆炸時，能迅速釋放爆炸能量，使承重結構所受壓力得以減輕而免遭破壞，即房屋的泄爆。泄爆螺栓系統可以用于做泄爆墻或者泄爆屋面，減小屋內瞬時爆炸沖擊波的超壓，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。而對于泄爆螺栓系統對爆炸的泄爆研究卻很少，本文對點支式泄爆螺栓系統在不同的爆炸沖擊荷載作用下的破壞特征進行了試驗研究。

1 泄爆螺栓系統的泄爆原理

爆炸的瞬時能夠釋放巨大的能量并產生各種破壞效應，但對建筑物破壞力最強、破壞區域最大的還是爆炸沖擊荷載的破壞效應[4]。當建筑內部產生爆炸后，沖擊波瞬時對建筑的屋面板、墻板產生巨大的沖擊荷載，造成房屋毀壞、倒塌。泄爆螺栓系統(圖1)是一種高效的泄爆系統，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，屋內發生爆炸時，沖擊荷載對墻板產生爆炸壓力，墻板受沖擊波超壓而沿沖擊波方向移動，對泄爆墊片產生擠壓剪切作用導致泄爆墊片破壞，從而使墻板與框架結構分離，泄爆墊片的受力破壞對爆炸沖擊波是一次削弱，同時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，墻板與框架結構之間連接一根牽引索，防止墻板飛出造成二次傷害。

圖1 泄爆螺栓系統泄爆原理

2 試驗概況

試驗所用墻板采用巖棉夾心鋼板，規格為1 000 mm×1 000 mm×50 mm，如圖2所示，共兩塊；四個角的1-4號孔洞為螺栓孔，孔洞直徑為17 mm，中部兩孔為牽引索孔。試驗時固定墻板的鋁制框架外邊框規格為1 m×1.05 m，內邊框為0.80 m×0.85 m。泄爆螺栓系統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，內徑6 mm，高50 mm，如圖3所示。試驗爆炸源采用PETN/TNT(質量比1∶1)的混合炸藥，炸藥參數如表1所示。利用泄爆螺栓系統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，炸藥中心點與試驗墻板中心等高，準備完畢，人員離場，通過點火系統遠程引爆炸藥，共進行了三組試驗，試驗現場如圖4，試驗分組信息見表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質量/g1.6095951 000

圖4 試驗現場

試驗分組試件編號藥柱裝藥量/kg距離地面高度/m實際裝藥距離/m第1組第2組第3組1號板1號板2號版11.326.155.126.15

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

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

圖5 試驗前1-4號孔位處泄爆螺栓圖

圖6 試驗后1-4號孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖7 試驗后1-4號孔位處墻板脫離圖

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

圖8 試驗前1-4號孔位處泄爆螺栓圖

圖9 試驗后1-4號孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖10 試驗后墻板脫落程度以及破壞的整體視圖

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

圖11 試驗前1-4號孔位處泄爆螺栓圖

圖12 試驗后1-4號孔位處泄爆螺栓破壞圖

圖13 試驗后1-3號孔位墻板脫落程度以及破壞現象

3.2 試驗結果分析

根據爆炸沖擊對泄爆螺栓系統的破壞現象，以泄爆墊片的鋁片與橡膠是否發生嚴重剝離以及泄爆墊片是否退進板內為兩個臨界條件，將其劃分為3個破壞程度：輕度破壞、中度破壞和嚴重破壞。以泄爆墊的鋁片與橡膠片發生部分輕微脫離為輕度破壞；當泄爆墊的鋁片與橡膠片發生部分嚴重剝離，并產生明顯皺褶，但泄爆墊未整體退進板內，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墻板之中，造成墻板與框架完全脫離，視為嚴重破壞。3組試驗泄爆螺栓系統破壞程度如表3所示。

表3 三組泄爆螺栓系統破壞程度

從表3可以看出，對于第一組和第三組的相同試驗，泄爆螺栓系統的破壞情況有一定的差別，考慮爆炸沖擊波的特性，試驗結果基本一致，當墻板距離爆心水平距離為6.15 m時，泄爆螺栓系統發生整體中度破壞，當墻板距離爆心水平距離為5.12 m時，泄爆螺栓系統則發生整體嚴重破壞。

4 沖擊波峰值超壓分析

對爆炸產生的沖擊波的傳播規律主要用沖擊波超壓、峰值超壓、沖量、持續時間等參數描述，其中最重要的參數是峰值超壓，沖擊波的峰值超壓Δp指的是沖擊波陣面上的峰值壓力pf減去空氣中的原始壓力p0(標準大氣壓)。1973年，Baker提出用TNT當量比例距離估算超壓，即沖擊波超壓可由等效TNT當量W以及距地面上爆炸源點的距離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，大量研究者對空氣中的沖擊波參數進行了研究，提出了相應的計算公式，見式(2)～(8)。

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

(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)的表達式：

(3)

Henrych[7]用試驗的方法得到了沖擊波峰值超壓(單位：MPa)公式：

(4)

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

(5)

仲倩等[9]通過測試系統結果與理論研究的經驗公式進行分析，利用爆炸相似率，進行函數擬合，得到沖擊波作用下的超壓(單位：MPa)公式：

(6)

吳彥捷[10]等將大量的經驗公式的加權平均值作為依據，對數值模擬結果進行修正，得到統一的沖擊波超壓(單位：MPa)修正計算公式：

(7)

張玉磊等[11]對大量超壓公式進行擬合得到的超壓(單位：MPa)公式，并與實驗數據進行對比，結果十分相近：

(8)

本試驗采用1 kg的PENT與TNT等質量1∶1混合炸藥，其TNT當量約為1.29 kg[12]。采用以上計算公式算的沖擊波超壓如表4所示。

表4 不同公式計算得到的超壓峰值

從表4可以看出，早期的文獻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，隨著試驗技術的更新以及試驗方法的改進，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驗公式。

當爆心距離墻板為5.12 m時，墻板所受的沖擊超壓為0.031 0～0.069 0 MPa， Brode[6]公式計算結果最小，張玉磊[11]公式計算結果最大，平均約為0.043 1 MPa；當爆心距離墻板為6.15 m時，墻板所受的沖擊超壓為0.023 2～0.048 7 MPa，Brode[6]公式計算結果最小，張玉磊[11]公式計算結果最大，平均約為0.031 3 MPa。如果以墻板距離爆心水平距離6.15 m時泄爆螺栓系統發生整體中度破壞為破壞準則，將墻板所受的沖擊荷載平均分配給每個泄爆螺栓，則單個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時泄爆螺栓系統發生整體嚴重破壞為準則，則單個泄爆螺栓可承受的最大爆炸沖擊荷載約為10.775 kN。

5 結論

1) 爆炸沖擊對泄爆螺栓系統的破壞作用主要發生在泄爆墊片，根據泄爆墊片是否發生嚴重剝離以及是否退進板內為兩個臨界條件，對泄爆螺栓的破壞程度劃分為三個等級：輕度破壞、中度破壞、嚴重破壞。

2) 當墻板距離爆心為6.15 m時，泄爆螺栓系統發生整體中度破壞，當墻板距離爆心為5.12 m時，泄爆螺栓系統則發生嚴重破壞。

3) 如果以墻板距離爆心水平距離6.15m時泄爆螺栓系統發生整體中度破壞為破壞準則，將墻板所受的沖擊荷載平均分配給每個泄爆螺栓，則單個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時泄爆螺栓系統發生整體嚴重破壞為準則，則單個泄爆螺栓可承受的最大爆炸沖擊荷載約為10.775 kN。