砖隔墙抗爆特性及泄漏空气冲击波效应

何 翔， 孙桂娟， 任新见， 杨建超， 陈 力， 王 幸

(军事科学院国防工程研究院，洛阳 471023)

砖墙作为古老的建筑结构形式，被广泛应用于地面建筑物外墙及内部分割空间的非承重墙，同时也是地下建筑的隔断形式之一。无论是战争时期还是和平时期，建筑物遭受武器打击、恐怖袭击和偶然爆炸的事件层出不穷，爆炸造成了严重的人员伤亡和财产损失，同时对公共建筑、民用建筑和特种建筑产生了极大影响，而通常这些建筑的抗爆能力较弱，特别是其隔墙的抗爆能力更弱，当其承载力不足以抵抗爆炸冲击荷载时会发生倒塌破坏，隔墙倒塌后会造成空气冲击波的更大范围传播和二次破片带来的次生灾害，因此对砖隔墙的抗爆特性研究越来越受到人们的重视。谢超等[1]运用ANSYS/LS-DYNA对混凝土空心砌块墙体在爆炸荷载作用下的动态响应进行分析，研究了墙体的破坏模式及6种因素(墙体厚度、砂浆强度、配筋率、约束形式、荷载峰值、爆炸荷载作用时间)对砌块墙体响应动力的影响；韩正恳[2]对砌块墙体爆炸与损伤数值进行了分析与评估；李利莎等[3]对砖墙在爆炸冲击震动作用下的破坏模式及阈值进行研究，根据工程内砖墙实际情况建立了简化的底部固定和周边无约束砖墙模型，并在模拟爆炸震动冲击试验台上进行三方向单独作用的冲击试验，研究了砖墙模型的动态响应及破坏时加速度峰值和作用时间；汪剑辉等[4]对防护工程内砖墙模型内水平冲击试验进行研究，介绍了砖墙模型室内水平冲击试验的宏观破坏现象，并通过宏观破坏现象及冲击加速度记录，对非承重砖墙在瞬态震动作用下的破坏模式及破坏机理做了简单分析讨论；周晓青等[5]开展了爆炸荷载作用下钢筋混凝土墙的动态响应模拟，对某地下库房存放的炸药意外爆炸的情况，用数值模拟分析其可能的后果；吴平安等[6]对集团装药爆炸条件下砖砌体隔墙破坏过程的进行数值模拟，重点研究了不同材料墙体的飞散规律,得到了墙体在集团装药爆炸冲击波作用下的破坏形式和碎块的飞散速度。

目前，前人研究多集中在三个方面：一是爆炸荷载作用下砖墙的毁伤特征、毁伤机理、毁伤准则及倒塌方式研究；二是砖墙毁伤后形成的二次破片及其次生灾害研究；三是砖墙毁伤后泄漏空气冲击波的分布和传播规律研究。与建筑物的承重构件(梁、板、柱)相比，关于砖墙的抗爆特性的研究较少，且采取的研究手段多以数值仿真为主，试验为辅，研究内容中对墙毁伤后泄漏空气冲击波的分布和传播规律的研究极为匮乏。基于此，以试验研究为基础，重点开展砖墙的抗爆特性研究特别是砖墙毁伤后泄漏空气冲击波的传播规律研究。

1 试验设计

为研究砖隔墙的抗爆特性，共制作11个砖隔墙试件，砖砌体隔墙试件采用实心黏土砖砌筑，试件表层用水泥砂浆抹面，如图1(a)所示，试件几何尺寸为63 cm(长)×63 cm(宽)×14 cm(高)。为便于收集和测量砖隔墙前爆炸造成砖隔墙一定程度破坏后砖隔墙后方的空气冲击波强度，用10 mm钢板制作组合式钢制模型坑道，模型坑道的尺寸为长15 m，净截面尺寸为60 cm×60 cm，在模型坑道的侧壁布置空压传感器，试验时将砖隔墙试件通过槽钢约束置于组合式钢制模型坑道口部外边缘，装药置于试件正前方，爆心对准试件几何中心，间隔试件表面一定距离，如图1(b)所示。钢制模型坑道试件上部堆放土袋减小边界效应。引爆TNT装药，观察试件的破坏形态，并实测试件后方坑道侧壁的空气冲击波压力。

图1 试验布置

试验基本工况如表1所示。其中设置有砖隔墙试件的毁伤试验共11次，未设试件的对比试验8次，对比试验的装药条件包括装药量和爆距与相应的设置有砖隔墙试件的毁伤试验一一对应。

表1 砖砌体毁伤试验基本工况

2 结果与分析

2.1 砖隔墙的毁伤特征

试验后记录砖隔墙的毁伤形态和特征参量，砖隔墙的破坏现象主要表现为裂缝、砌块崩落、墙体移位等形式，不同药量、不同爆距条件下砖隔墙的典型破坏形态(图2)。其破坏等级分类及宏观破坏现象描述可表征如下。

(1)轻微破坏：墙体主要部位无明显损伤，表现为外表层剥落，墙体有细微裂缝(长宽均较小)，结构最大支座转角小于2°，如图2(a)所示。

(2)中等破坏：墙体出现贯穿性裂缝，宽度、长度均较大，少量砌块崩落(崩落面积小于墙体总面积15%)，结构的最大支座转角小于5°，如图2(b)所示。

(3)严重破坏：墙体砌块较大面积崩落(崩落面积小于墙体总面积30%)，结构的最大支座转角小于10°，如图2(c)所示。

(4)极严重破坏：墙体大部分崩落或垮塌，破坏区面积大于墙体总面积30%，结构的最大支座转角大于10°，如图2(d)所示。

(5)完全破坏：墙体完全解体并垮塌，如图2(e)所示。

图2 砖隔墙破坏等级

2.2 实测的空气冲击波波形

图3～图5分别为3种不同工况(不同装药量和不同爆距)同一测点位置有无砖隔墙试件实测的空气冲击波超压波形对比。由图3～图5可知，与无砖隔墙坑道中空气冲击波相比，有砖隔墙时坑道空气冲击波波形呈现以下明显特征。

(1)冲击波超压峰值大幅降低，有无砖隔墙对比，同一测点位置空气冲击波超压峰值降低60%～85%，而作用时间明显增加，增大150%～300%。

(2)有砖隔墙时冲击波波形峰值后呈现明显震荡，这是由于有砖隔墙试件时爆炸产生的大量二次破片、颗粒和尘埃在坑道中飞散，当它们作用到传感器时会导致波形的急剧起伏。

(3)有砖隔墙时冲击波波形峰值之前都首先有一个持续较短时间(不足1 ms)的峰值较低(不足0.01 MPa)尖峰压力，尖峰压力波形可能是砖隔墙破坏前的短暂强烈变形或破坏区域的墙体材料在爆炸冲切/震塌作用下迅速脱离原位向坑道飞散/运动压缩密闭空间空气导致的感生空气冲击波。接着当破坏区域的墙体材料脱离原位后形成空气冲击波传播通道时，部分爆轰产物通过破坏通道泄入坑道形成坑道内泄漏空气冲击波传播，冲击波压力突然上升到压力最大值，即尖峰压力持续短暂的时间后,炸药爆炸产生的泄漏冲击波波形到达。

图3 同一测点空气冲击波实测波形(装药量W=246 g, 爆距r=7.5 cm)

图6所示为有砖隔墙试件时两种情况下(较高药量和较低药量)不同装药量相同爆距不同测点泄漏冲击波超压峰值变化规律的对比。由图6可知，有砖隔墙试件时相同爆距不同药量不同测点的泄漏冲击波超压峰值的变化规律呈现以下特点。

图4 同一测点空气冲击波实测波形(W=96 g, r=5.25 cm)

图5 同一测点空气冲击波实测波形(W=260 g, r=71.25 cm)

(1)在较高药量(W≥200 g)范围，泄漏冲击波超压峰值在相同爆距下随药量增大呈上升趋势，此时砖隔墙的破坏等级为极严重破坏以上，如图6(a)所示，而在较低药量(W<100 g)范围，泄漏冲击波超压峰值在相同爆距下随药量增大变化不明显，此时砖隔墙的破坏等级为严重破坏以下，如图6(b)所示。

(2)无论是较高药量范围还是较低药量范围，在药量、爆距均相同的情况下，泄漏冲击波超压峰值随测点距离增大而下降，但较高药量范围与较低药量范围相比[图6(a)和图6(b)曲线的斜率对比]冲击波超压峰值下降的幅度趋于平缓。

ΔP为泄漏冲击波超压峰值，MPa

3 结论

首先通过砖隔墙前爆炸墙后空气冲击波传播试验，得到砖隔墙破坏特征参数及墙后泄漏空气冲击波实测波形；然后分析砖隔墙破坏特征，提出了砖隔墙破坏等级划分及特征描述，对有无砖隔墙坑道中空气冲击波实测波形进行了初步分析，发现无论是空气冲击波波形结构还是冲击波特征参量(峰值和作用时间等)均存在较大差异。试验结果表明，砖隔墙虽然遭到不同等级的毁伤，但能够明显衰减墙后的泄漏冲击波强度。试验数据为下一步建立砖隔墙前爆炸墙后的泄漏冲击波效应工程算法提供了理论依据。

需要指出的是虽然砖隔墙的存在明显衰减了墙后的泄漏冲击波强度，但是爆炸后砖隔墙产生的大量二次破片对墙后一定范围内的人员和设备等仍具有较大的毁伤能力，在分析计算墙后人员和设备等的毁伤效应时需考虑二次破片和泄漏冲击波的复合作用。