新型柵欄式防爆墻研究現狀及理論分析

祁兵，孫世梅，蔣海峰，金佩劍，隋鵬飛

（吉林建筑大學，吉林長春 130118）

一、柵欄式防爆墻研究現狀

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兩個方面。好的材料可快速傳遞熱量吸收能量并阻止火焰傳播，從而防止爆炸事故。Davidson等[1-2]通過對爆炸荷載作用下纖維增強聚合物（FRP）加固砌體墻結構的實驗，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。而材料的結構對阻止火焰傳播[3-4]有重要影響，材料孔隙越大，火焰傳播速度越快，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中傳播的研究表明，固體材料的骨架結構與沖擊波在氣流方向上的傳播速度顯著相關[6]。

很多學者通過有限元分析軟件建立仿真模型對防爆墻的性能進行數值模擬。Ennis S T等人[7]開發了一種精細化模型用來模擬砌體防爆墻在爆炸荷載作用下的響應，研究發現高估了無筋磚防爆墻的靜荷載承載力。Eamon C D等[8]修正了上述精細化模型，證實修改后的精細化數值模型能夠很好地預測砌體防爆墻的響應和破壞情況。Wei和Hao[9]開發了砌體防爆墻的勻質動態材料模型，通過該模型對砌體防爆墻的爆炸荷載作用響應分析，發現該模型可以節省大量計算機內存和計算時間。Shi等[10]進行了大當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系。也有不少學者研究防爆墻形狀對削弱沖擊波能量的影響，Takayama等[11]發現半球形實體比圓柱形實體對爆炸波的減弱效果更好。Kojiro等[12]通過激波管試驗研究了圓棒陣列對激波衰減的影響得出結論：隨著圓棒陳列層數的增加，靜壓力會降低。Chaudhuri等[13]進行了爆炸波傳播經過不同排布和不同截面的實體障礙物的數值模擬研究，他們發現在所有進行的情況中，交錯排列的反向三角形障礙對沖擊波的衰減是最有效的。

二、柵欄式防爆墻理論分析

（一）柵欄式防爆墻簡介

發生化工爆炸后造成的破壞作用主要有四個方面：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、破壞力最強的就是沖擊波作用。柵欄式防爆墻與傳統防爆墻吸收爆炸能量的方式不同。柵欄式防爆墻柱體構件采用“強—弱—強”吸能防護理論，外部殼體采用剛性防護材料、內部填充物采用塑性吸能材料，采用這種吸能防護理論進行設計，不僅能增加柱體的整體強度，也能降低墻體破壞后碎片產生的二次破壞。柵欄式防爆墻是用“強—弱—強”吸能防護理論設計的柱體構件與沖擊波的傳播、干涉衍射理論相結合，通過合理優化的布置，達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，可以節省大量材料和建設成本，也降低了墻體本身造成二次破壞。柵欄式防爆墻整體設計如下圖1所示。

圖1 柵欄式防爆墻總體設計圖

（二）理論分析

在一定的爆炸沖擊波作用下，對“強—弱—強”復合結構與“強—強—強”復合結構的抗爆機理進行分析[3]。因為不同材料自身物理特性的不同，爆炸產生的沖擊波在不同的介質材料中傳播時，導致沖擊波會在經過兩層不同物理特性的介質材料的分界面時產生一定的投射波以及反射波[5]，由分界面的連續條件可知，不同介質材料在分界面處的壓力、質點速度相等，當界面兩側介質由于其波阻抗物理特性不同時，產生的透射波和反射波的強度分別為：

式中：σT為透射波強度；

σR為反射波強度；

σ1為第一層材料入射波強度；

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T：

反射波系數R：

由式（2-3）、（2-4）可得出：當第一層材料的波阻抗小于第二層材料的波阻抗時，即反射波系數大于0。透射波系數大于1，可知透射波應力幅值強于入射波。波阻抗低的介質傳入波阻抗高的介質；當第二層材料的波阻抗小于第一層材料的波阻抗時，反射波系數小于0。透射波系數小于1，可知透射波應力幅值弱于入射波。波阻抗高的介質傳入波阻抗低的介質，波阻抗低的介質可以起到減震緩沖的作用[6]。

根據以上的原理，對鋼—泡沫鋁—鋼波阻抗低的復合構件與鋼—混凝土—鋼波阻抗高的復合構件（見圖2）進行抗爆減震效果對比分析。在復合構件中，材料所需參數如下表1所示。

圖2 應力波傳播示意圖

表1 材料參數

假設沖擊波在鋼板中產生應力波峰值ρT1為，進入夾心的應力波峰值ρT2為：

接著，應力波從夾芯材料進入后鋼板，其反射波應力波峰值σT3為：

應力波在鋼—混凝土—鋼復合構件中傳播時的衰減程度的計算方法同上，

σT3=0.62σT1

當采用泡沫鋁為夾芯材料時，應力波在鋼—泡沫鋁—鋼復合結構傳播時，其應力波峰值應力衰減為原來的0.056倍；當采用混凝土夾芯材料時，其應力波峰值應力衰減為原來的0.62倍，就應力衰減效果而言，兩者間相差11倍。兩種夾芯材料進行對比，混凝土強度高，但其塑性應變沒有泡沫鋁高，抗爆能力強；泡沫鋁強度不高，但其塑性應變高，吸能效果好。對于復合構件而言，泡沫鋁比混凝土具有更好的抗爆吸能效果。所以，復合構件的內夾芯層應選用塑性吸能材料進行填充，而非剛性材料。

三、結束語

隨著世界經濟飛速發展，防爆墻被廣泛應用于軍事和民用領域。相比傳統防爆墻，新型柵欄式防爆墻建造成本低，吸能效果好。綜合上述兩種復合構件進行抗爆減震效果。內芯夾層泡沫鋁與混凝土相比，強度不高，但其塑性應變高，吸能效果好。內芯夾層運用塑性吸能材料取得的效果較好。利用吸能防護理論與沖擊波的傳播、干涉衍射理論相結合為后續防爆墻設計提供參考。