高延性混凝土(HDC)在抗爆间室中的防护效果评估

2019-12-02杜忠胡福

工程建设与设计 2019年22期

关键词：抗爆间室冲量

杜忠，胡福

（西安航天神舟建筑设计院有限公司，西安710000）

1 应用背景

高延性混凝土（HDC）是一种具有高强度、高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的特种混凝土，其变形能力可达普通混凝土的200 倍，也被称为“可弯曲混凝土”。

抗爆间室系指火工品生产过程中有爆炸危险的工序工房（设计药量一般不超过100kg），通过有效的防护将爆炸破坏影响控制在工房局部范围内，通常采用钢筋混凝土结构。

本文的研究内容是利用高延性混凝土的弯曲韧性和抗折强度，在爆炸冲击波作用下，通过防护体的延性变形吸收冲击波冲量，以避免防护墙体脆性倒塌、破坏。

2 抗爆间室结构设计原则

抗爆间室发生爆炸时，对房间外的人员、设备以及危险品应能起到保护作用。抗爆间室外通常设置抗爆屏院，作为抗爆间室泄爆面外设置的屏障，阻止爆炸冲击波或爆炸破片向四周扩散[1]。典型的抗爆间室、抗爆屏院平面如图1 所示。

图1 抗爆间室、抗爆屏院平面图

抗爆间室结构在爆炸冲击波作用下，从开始受力到最大变形时间以毫秒计，在这种快速加载的条件下，混凝土及钢材的强度均可提高[2]。根据GB 50097—2013《抗爆间室结构设计规范》[3]，混凝土、钢筋在动荷载和静荷载的同时作用或动荷载的单独作用下，设计药量与爆心的比应满足：

式中，Ra为爆心与计算墙（板）面的垂直距离；Q为设计药量；

L为房间净长；H为房间净高。

当采用配有连续波浪形斜拉系筋的钢筋混凝土墙（板）及在2 个边墙（板）的条形基础间设拉梁或在地面下设整块底板措施时，则：

根据相似理论，墙体距离炸药爆心越近，墙体受到的局部冲击波越大，距离过小的爆心距离会产生抗爆墙的局部震塌和飞散破坏。为防止这种破坏发生，须适当考虑爆心间距和抗爆墙厚度，获得较好的房间使用空间[4，5]。

背爆面的抗爆炸震塌破坏厚度验算，爆心位置与所计算的墙（板）面的垂直距离应满足式（3）的要求：

式中，Q0为设计折合当量；h为墙体净高。

3 抗爆间室计算爆心布置

当工艺专业不能准确确定爆心位置时，结构专业可以根据对抗爆间室不同部位冲量最大原则布置爆心位置，并计算各构件配筋。图2 给出了相同药量、相同房间大小条件下爆心与中墙间距对抗爆间室各构件的平均冲量变化，对于中墙，爆心距离大，平均冲量越大。对于边墙及屋面板，爆心距中墙越远，平均冲量越小。

图2 10kg 抗爆间室爆心位置与平均冲量关系

4 高延性混凝土防护墙建模计算

4.1 参数输入

采用有限元建立抗爆墙模型，模型尺寸为2000mm×2000mm×200mm，抗爆墙材料为高延性混凝土，材料的弹性模量为10 294MPa，泊松比为0.14。假设支撑钢架结构和混凝土底座有足够的刚强度，则抗爆墙与支撑结构的接触面为固定约束。建立几何模型如图3 所示。

图3 抗爆墙支撑示意图

4.2 模型计算

对模型进行网格划分，选用精度更高的六面体网格单元，网格划分结束后进行网格检查，确认网格精度满足计算要求，网格单元数量为106 680。根据以上参数对模型进行有限元计算，经过多次试算和调整得到：当加载在抗爆墙受力面的压强达到73.45N/mm2时，抗爆墙的最大变形达到120mm，最大变形位于抗爆墙中心点。