泄爆螺栓系统在爆炸冲击波下的破坏研究

王 珅，张俊峰，何其深，李万纲

(1.郑州大学 土木工程学院， 郑州 450001； 2 郑州安筑实业有限公司， 郑州 450016)

建筑物的泄爆已经越来越受人们的关注，如果发生爆炸，爆炸冲击波没有得到合理的释放，必然造成人员伤亡以及建筑物破坏甚至倒塌，后果不堪设想。因此需要对爆炸冲击波合理释放，当建筑发生爆炸时，能迅速释放爆炸能量，使承重结构所受压力得以减轻而免遭破坏，即房屋的泄爆。泄爆螺栓系统可以用于做泄爆墙或者泄爆屋面，减小屋内瞬时爆炸冲击波的超压，从而减少建筑物的破坏。目前的爆炸系统研究中，周灿等[1]研究得出了合理的球形容器的泄爆小口面积；由泽伟等[2]研究了冲击荷载下泄爆板破坏的冲量计算方法，利用冲量衡量泄爆板的破坏；高康华等[3]研究得出合理的泄爆开启方式。而对于泄爆螺栓系统对爆炸的泄爆研究却很少，本文对点支式泄爆螺栓系统在不同的爆炸冲击荷载作用下的破坏特征进行了试验研究。

1 泄爆螺栓系统的泄爆原理

爆炸的瞬时能够释放巨大的能量并产生各种破坏效应，但对建筑物破坏力最强、破坏区域最大的还是爆炸冲击荷载的破坏效应[4]。当建筑内部产生爆炸后，冲击波瞬时对建筑的屋面板、墙板产生巨大的冲击荷载，造成房屋毁坏、倒塌。泄爆螺栓系统(图1)是一种高效的泄爆系统，其原理为：利用泄爆螺栓、泄爆垫片和金属套筒组合的定位装置将墙板和屋面板固定在框架上，屋内发生爆炸时，冲击荷载对墙板产生爆炸压力，墙板受冲击波超压而沿冲击波方向移动，对泄爆垫片产生挤压剪切作用导致泄爆垫片破坏，从而使墙板与框架结构分离，泄爆垫片的受力破坏对爆炸冲击波是一次削弱，同时墙板与框架的分离降低了冲击波超压并起到了泄爆的目的。为了保证安全，墙板与框架结构之间连接一根牵引索，防止墙板飞出造成二次伤害。

图1 泄爆螺栓系统泄爆原理

2 试验概况

试验所用墙板采用岩棉夹心钢板，规格为1 000 mm×1 000 mm×50 mm，如图2所示，共两块；四个角的1-4号孔洞为螺栓孔，孔洞直径为17 mm，中部两孔为牵引索孔。试验时固定墙板的铝制框架外边框规格为1 m×1.05 m，内边框为0.80 m×0.85 m。泄爆螺栓系统采用的泄爆螺栓直径为5.5mm，长度为75mm；泄爆垫片由铝合金和橡胶组合，直径为19 mm，厚度为2.5 mm，其中铝合金垫片厚0.5 mm，橡胶厚2 mm；金属套管外径17 mm，内径6 mm，高50 mm，如图3所示。试验爆炸源采用PETN/TNT(质量比1∶1)的混合炸药，炸药参数如表1所示。利用泄爆螺栓系统将墙板固定在铝制框架外边框，并连接牵引索，将药柱放置在支架上，炸药中心点与试验墙板中心等高，准备完毕，人员离场，通过点火系统远程引爆炸药，共进行了三组试验，试验现场如图4，试验分组信息见表2。

图2 墙板布局

图3 泄爆螺栓组合

密度/(g·cm-3)直径/mm高/mm质量/g1.6095951 000

图4 试验现场

试验分组试件编号药柱装药量/kg距离地面高度/m实际装药距离/m第1组第2组第3组1号板1号板2号版11.326.155.126.15

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

图5和图6为第一组试验在爆炸冲击荷载作用前后1-4号孔位处的泄爆螺栓系统图，其中1号和4号(如图6)孔位的两个泄爆垫破坏严重，并随泄爆螺栓退进墙板孔洞中，造成墙板与框架部分脱离，1号孔位处墙板脱离框架1.5 cm(如图7)，4号孔位处墙板脱离框架1.1 cm(如图7)，虽然这两处泄爆螺栓系统未与墙板完全脱离，但已失去对墙板的嵌固作用。2号和3号(如图6)孔位的泄爆垫片发生比较严重的皱褶，但并未完全破坏，墙板与框架也并未发生脱离(如图7)，泄爆螺栓系统并仍对墙板有一定的嵌固作用。

图5 试验前1-4号孔位处泄爆螺栓图

图6 试验后1-4号孔位处泄爆螺栓破坏图

图7 试验后1-4号孔位处墙板脱离图

图8和图9为第二组试验在爆炸冲击荷载作用前后1-4号孔位处的泄爆螺栓系统图。在冲击荷载作用下，墙板四个孔位的泄爆垫片完全破坏，并随泄爆螺栓退进墙板孔中，造成墙板与框架发生严重脱离，此泄爆螺栓系统虽未与墙板完全脱离，但已失去对墙板的嵌固作用(如图10)。

图8 试验前1-4号孔位处泄爆螺栓图

图9 试验后1-4号孔位处泄爆螺栓破坏图

图10 试验后墙板脱落程度以及破坏的整体视图

图11和图12为第三组试验在爆炸冲击荷载作用前后1-4号孔位处的泄爆螺栓系统图。其中1号(如图12)和3号(如图12)孔位的两个泄爆垫破坏严重，并随泄爆螺栓退进墙板孔洞中，2号孔位(如图12)泄爆垫片上有明显的两个皱褶， 4号(如图12)孔位泄爆垫的铝片和橡胶发生部分轻微脱离，但两个泄爆垫片均未完全破坏，泄爆螺栓系统仍对墙板具有嵌固作用，1号和3号孔位处墙板已脱离框架(如图13)。

图11 试验前1-4号孔位处泄爆螺栓图

图12 试验后1-4号孔位处泄爆螺栓破坏图

图13 试验后1-3号孔位墙板脱落程度以及破坏现象

3.2 试验结果分析

根据爆炸冲击对泄爆螺栓系统的破坏现象，以泄爆垫片的铝片与橡胶是否发生严重剥离以及泄爆垫片是否退进板内为两个临界条件，将其划分为3个破坏程度：轻度破坏、中度破坏和严重破坏。以泄爆垫的铝片与橡胶片发生部分轻微脱离为轻度破坏；当泄爆垫的铝片与橡胶片发生部分严重剥离，并产生明显皱褶，但泄爆垫未整体退进板内，与墙板仍具有一定的嵌固作用，视为中度破坏；若泄爆垫完全破坏并退进墙板之中，造成墙板与框架完全脱离，视为严重破坏。3组试验泄爆螺栓系统破坏程度如表3所示。

表3 三组泄爆螺栓系统破坏程度

从表3可以看出，对于第一组和第三组的相同试验，泄爆螺栓系统的破坏情况有一定的差别，考虑爆炸冲击波的特性，试验结果基本一致，当墙板距离爆心水平距离为6.15 m时，泄爆螺栓系统发生整体中度破坏，当墙板距离爆心水平距离为5.12 m时，泄爆螺栓系统则发生整体严重破坏。

4 冲击波峰值超压分析

对爆炸产生的冲击波的传播规律主要用冲击波超压、峰值超压、冲量、持续时间等参数描述，其中最重要的参数是峰值超压，冲击波的峰值超压Δp指的是冲击波阵面上的峰值压力pf减去空气中的原始压力p0(标准大气压)。1973年，Baker提出用TNT当量比例距离估算超压，即冲击波超压可由等效TNT当量W以及距地面上爆炸源点的距离R来估算。比例距离Z定义为：

Z=R/W1/3

(1)

式中，R为测点与爆心之间的距离(m)；W为等效TNT药量(kg)。

目前，大量研究者对空气中的冲击波参数进行了研究，提出了相应的计算公式，见式(2)～(8)。

Sadovskyi[5]根据模型相似律理论建立比例距离关系比较式，由试验确定系数，得到高爆炸药冲击波峰值超压(单位：MPa)的表达式为：

(2)

Brode[6]用模型相似理论给出了TNT爆炸冲击波峰值超压(单位：MPa)的表达式：

(3)

Henrych[7]用试验的方法得到了冲击波峰值超压(单位：MPa)公式：

(4)

Mills[8]用相似理论及数值模拟相结合的方法得到了TNT爆炸冲击波超压(单位：MPa)的表达式：

(5)

仲倩等[9]通过测试系统结果与理论研究的经验公式进行分析，利用爆炸相似率，进行函数拟合，得到冲击波作用下的超压(单位：MPa)公式：

(6)

吴彦捷[10]等将大量的经验公式的加权平均值作为依据，对数值模拟结果进行修正，得到统一的冲击波超压(单位：MPa)修正计算公式：

(7)

张玉磊等[11]对大量超压公式进行拟合得到的超压(单位：MPa)公式，并与实验数据进行对比，结果十分相近：

(8)

本试验采用1 kg的PENT与TNT等质量1∶1混合炸药，其TNT当量约为1.29 kg[12]。采用以上计算公式算的冲击波超压如表4所示。

表4 不同公式计算得到的超压峰值

从表4可以看出，早期的文献Sadovsky[5](1952年)、Brode[6](1959年)、henrych[7](1979年)、mills[8](1987年)所测超压值相差不大，随着试验技术的更新以及试验方法的改进，仲倩[9](2010年)、吴彦捷[10](2014年)和张玉磊[11](2016年)得出的超压值明显高于以往的经验公式。

当爆心距离墙板为5.12 m时，墙板所受的冲击超压为0.031 0～0.069 0 MPa， Brode[6]公式计算结果最小，张玉磊[11]公式计算结果最大，平均约为0.043 1 MPa；当爆心距离墙板为6.15 m时，墙板所受的冲击超压为0.023 2～0.048 7 MPa，Brode[6]公式计算结果最小，张玉磊[11]公式计算结果最大，平均约为0.031 3 MPa。如果以墙板距离爆心水平距离6.15 m时泄爆螺栓系统发生整体中度破坏为破坏准则，将墙板所受的冲击荷载平均分配给每个泄爆螺栓，则单个泄爆螺栓可以承受的最大爆炸冲击荷载约为7.825 kN。如果以墙板距离爆心5.12 m时泄爆螺栓系统发生整体严重破坏为准则，则单个泄爆螺栓可承受的最大爆炸冲击荷载约为10.775 kN。

5 结论

1) 爆炸冲击对泄爆螺栓系统的破坏作用主要发生在泄爆垫片，根据泄爆垫片是否发生严重剥离以及是否退进板内为两个临界条件，对泄爆螺栓的破坏程度划分为三个等级：轻度破坏、中度破坏、严重破坏。

2) 当墙板距离爆心为6.15 m时，泄爆螺栓系统发生整体中度破坏，当墙板距离爆心为5.12 m时，泄爆螺栓系统则发生严重破坏。

3) 如果以墙板距离爆心水平距离6.15m时泄爆螺栓系统发生整体中度破坏为破坏准则，将墙板所受的冲击荷载平均分配给每个泄爆螺栓，则单个泄爆螺栓可以承受的最大爆炸冲击荷载约为7.825 kN。如果以墙板距离爆心5.12 m时泄爆螺栓系统发生整体严重破坏为准则，则单个泄爆螺栓可承受的最大爆炸冲击荷载约为10.775 kN。