汽车炸弹爆炸作用下防爆墙防护效应试验研究

2020-09-15张志刚曹洪瑞冷冰林

工程爆破 2020年4期

张志刚，曹洪瑞，冷冰林

(1.空军工程大学航空工程学院，西安 710038；2.南部战区空军保障部机营处，广州 510000)

在当今世界政治环境下，汽车炸弹袭击已成为恐怖袭击中最常见的方式，其威胁性大、杀伤力强，会对重要建筑物以及人员造成极大破坏，因此抵御汽车炸弹爆炸破坏效应的需求不断增加。快速拼装式防爆墙是重要建筑物防护恐怖爆炸袭击的重要措施之一，它能很好地削弱汽车炸弹爆炸对墙后防护目标的破坏作用，对墙后重要目标起到有效地防护效应[1-4]。

近年来，许多国内外学者对防爆墙的抗爆性能以及防护效应进行了大量研究，取得较好的进展。Scherbatiuk K等[5]采用LS-DYNA软件对混凝土防爆墙进行了有限元分析，并结合爆炸试验结果，提出了一种考虑墙底滑移和变形的混合刚体转动模型，该模型考虑了不同土壤参数对防爆墙转动的影响，并给出了混凝土防爆墙的有效高宽比范围；Zhou X Q等[6]采用AUTODYN 3D软件模拟了爆炸冲击波与防爆墙的相互作用过程，研究了刚性防爆墙后建筑物爆炸冲击波反射超压分布，提出了一种可用于计算防爆墙后建筑物所受爆炸冲击波的拟合公式；Li W S等[7]采用ABAQUS软件模拟了爆炸荷载下钢筋混凝土墙体的动力响应情况，提出了合理的加固和外部条件可提高钢筋混凝土墙的抗爆性能；Su Q Q等[8]采用LS-DYNA软件建立了网壳防爆墙模型的分析模型，分析了爆炸冲击波绕射防爆墙的传播规律，得到了防爆墙对爆炸冲击波衍射和反射作用的影响规律；Rattanawancharoen N等[9]通过对填土防爆墙的爆炸试验得到其压力-时间和位移-时间变化情况，并采用LS-DYNA软件对填土防爆墙的有限元模型进行了爆炸模拟，通过比较试验结果与有限元分析结果得到了影响两者结果差异的因素；Rose T A等[10]利用爆炸相似率，建立了十分之一比例的防爆墙模型，研究了不同材料防爆墙对爆炸冲击波的削弱作用；张志刚等[11]采用AUTODYN软件对不同墙体高度、比例爆距和爆炸位置的计算模型进行模拟，得出了影响防爆墙消波性能的因素，并提出了计算墙后超压大小的拟合公式；张千里等[12]运用试验与数值模拟相结合的方法，对爆炸冲击波作用于防爆墙的荷载与绕流规律进行研究，得到了爆炸冲击波环流的内在机理；CHAPMAN T C等[13]通过防爆屏障十分之一模型的爆炸试验，得到了炸药的装药尺寸和几何构型对防爆屏障后目标的压力参数，并基于此得到了一种可以预测防爆屏障后防护目标上某一点爆炸冲击波峰值反射超压的技术。

以往的防爆墙抗爆性能试验研究大多数是通过小当量炸药爆炸试验或者数值模拟的方式来进行，试验使用的炸药当量小，与现实恐怖袭击中汽车炸弹的爆炸破坏作用还存在较大的差距。笔者针对快速拼装式防爆墙进行602 kg TNT汽车炸弹试验，来模拟恐怖袭击时汽车炸弹爆炸的破坏作用，对大当量汽车炸弹爆炸作用下快速拼装式防爆墙的防护效应进行研究，对有效防护汽车炸弹袭击具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试验设计

1)利用皮卡车承载602 kg TNT制作等效汽车炸弹(炸药放置在皮卡车车厢内直接引爆)，通过观察防爆墙的破坏情况以及分析冲击波超压测试数据，直接检验不同构筑方式的组合防爆墙抗倾覆性能和消波性能。

2)在防爆墙后面有散放的山羊和装有山羊的集装箱，用来模拟人员。通过观测墙后山羊和集装箱内山羊的生命体征，检验防爆墙抵抗汽车炸弹袭击损伤的能力。

1.2 试验装置

为更好地实现利用皮卡车(自重2.3 t)承载602 kg TNT炸药组成汽车炸弹的实爆效果。根据文献[11]研究发现，防爆墙墙体高度越小、TNT炸药的爆高越大，防爆墙墙后入射超压越大。本试验中炸药由两块高64 cm、直径31 cm的301 kg圆柱体TNT裸药柱上下堆叠组成，以此来增加爆心高度和减小墙体与炸药的相对高度，模拟炸药爆炸的最不利情况，汽车炸弹实物如图1所示。

图1 汽车炸弹Fig.1 Car bomb

快速拼装式防爆墙内可填充砂、土或就地取材的土石、建筑垃圾等，考虑到墙体在受到爆炸冲击后石子等会飞溅，对防护目标造成二次伤害，因此墙体内填充细砂，装填密度为1 695 kg/m3。试验所用组合防爆墙由不同防爆墙单元组成，防爆墙单元由低碳钢丝焊接组成骨架，内衬高抗拉优质土工布，再经填充细砂形成长方体墙体单元，墙体内细砂由人工压实，不同型号防爆墙单元的规格尺寸如表1所示。

表1 防爆墙单元尺寸

1.3 试验方案

1.3.1 防爆墙布置

为了更好地模拟汽车炸弹对重要建筑物的破坏作用，将不同尺寸形状防爆墙按照图2进行布设，其中距离实爆中心不同位置分别设置不同规格的防爆墙。墙体布置保证每组墙面中心与爆炸中心在一条直线上，且保证爆炸波传递到所有墙体迎爆面上。

注：1～4表示防爆墙图2 汽车炸弹爆炸试验布置Fig.2 Car bomb explosion test layout

图2中I、II、III号废旧集装箱为20尺标准海运干货普通集装箱，集装箱放置方向均与前面墙体平行；III号集装箱内放置一只成年山羊，4号墙后放置一只成年山羊，用来模拟人员。

防爆墙具体构筑形式如表2所示，汽车炸弹试验布置全景如图3所示。

表2 防爆墙构筑形式

图3 汽车炸弹试验布置全景Fig.3 Layout panorama of car bomb test

1.3.2 汽车炸弹与测点布置

场地布置完成后在爆心处静爆602 kg TNT炸药，炸药爆心距地面1.22 m，爆心距1号墙迎爆面中心距离为3.8 m，距2号墙迎爆面中心距离为3.35 m，距3号墙迎爆面中心距离为4.6 m。汽车炸弹爆炸过程中使用冲击波压力测试系统(冲击波压力测试系统由压力传感器、数据采集设备和低噪声信号电缆组成)分别测试1号、3号、4号防爆墙迎爆面冲击波超压；1号防爆墙墙后3.5、6.5、9、14.5、20.5、26.5、32.5、38.5、44.5、50.5 m处(距地面高1.3 m)的自由场冲击波超压；4号防爆墙墙后2、4.5、10、16、22、28、34、40、46 m处(距地面高1.3 m)的自由场冲击波超压，传感器布置如图4所示。

注：P1～P26表示传感器安装位置图4 汽车炸弹爆炸试验测试系统布设Fig.4 Test system layout of car bomb explosion

2 试验结果分析

2.1 现场观测结果

在602 kg TNT汽车炸弹爆炸后，采用目视法检查墙体和集装箱的毁伤情况。

1)1号防爆墙采用双层结构，其尺寸为3.58 m×1.06 m×2.13 m(墙高×上层厚×下层厚)，在汽车炸弹爆炸后发生倾覆，墙体土工布被烧毁，钢网断裂，墙内填充的细砂坍塌，防爆墙完全破坏(见图5)。

图5 汽车炸弹爆后1号墙迎爆面效果Fig.5 Effect of the front face of the No. 1 wall after the car bomb exploded

2)2号防爆墙采用双层结构，其尺寸为3.58 m×2.12 m×3.18 m(墙高×上层厚×下层厚)，在汽车炸弹爆炸后发生严重倾斜，防爆墙迎爆面一排墙体土工布被烧毁，钢网发生断裂，墙内填充的细砂露出，其余两排墙体仅发生严重倾斜，但墙体未受损(见图6～图7)。

图6 汽车炸弹爆后2号墙迎爆面效果Fig.6 Effect of the front face of the No. 2 wall after the car bomb exploded

图7 汽车炸弹爆炸后2号墙侧面效果Fig.7 Effect of the side of the No. 2 wall after the car bomb exploded

3)3号防爆墙采用三层结构，4.95 m×2.12 m×3.18 m×4.24 m(墙高×上层厚×中层厚×底层厚)，在汽车炸弹爆炸后迎爆面一排墙体土工布被烧毁，钢网发生断裂，墙内填充物坍落，但后三排墙体整体保存较好，仅发生倾斜，倾斜角度为33°，墙体侧面土工布有阻燃现象，未见烧毁(见图8～图9)。

图8 汽车炸弹爆炸后3号墙迎爆面效果Fig.8 Effect of the front face of the No. 3 wall after the car bomb exploded

图9 汽车炸弹爆炸后3号墙侧面效果Fig.9 Effect of the side of the No. 3 wall after the car bomb exploded

4)4号防爆墙位于2号防爆墙墙后2.5 m，其尺寸为2.21 m×1.06 m(墙高×墙厚)，在汽车炸弹爆炸后部分墙体发生较小倾斜，倾斜角度为15°，其余部分未受到破坏(见图10)。

图10 汽车炸弹爆炸后4号墙效果Fig.10 Effect of the No. 4 wall after the car bomb exploded

5)I号集装箱发生严重变形，主要表现在冲击波从防爆墙顶部绕射对集装箱顶部产生的挤压变形(见图11)；II号集装箱发生翻转，箱体侧面产生鼓胀变形(见图12)；III号集装箱顶部也产生挤压，但变形程度较I号、II号集装箱小(见图13)。

图11 汽车炸弹爆炸后I号集装箱效果Fig.11 Effect of container I after the car bomb exploded

图12 汽车炸弹爆炸后II号集装箱效果Fig.12 Effect of container II after the car bomb exploded

6)集装箱内和4号墙后的山羊均未死亡，口鼻处无渗血现象，对山羊实施解剖后未发现其内脏有破损(见图14)。

图14 汽车炸弹爆炸后集装箱内山羊状态Fig.14 Goat state in container after car bomb exploded

2.2 超压测试结果

用冲击波压力测试系统测试记录汽车炸弹爆炸后产生的冲击波压力，其测试的数据结果如表3～表5、图15所示。

表3 防爆墙墙面冲击波峰值超压测试结果

表4 1号防爆墙冲击波峰值超压测试结果

表5 4号防爆墙冲击波峰值超压测试结果

图15 防爆墙后各测点峰值超压变化情况Fig.15 Change of peak overpressure at each measuring point behind the anti-blast wall

2.3 结果分析

在研究快速拼装式防爆墙的防护性能时，可将墙体视为刚体，忽略地面振动、墙体位移与变形情况。快速拼装式防爆墙受爆炸冲击波作用后主要破坏形式为绕墙角转动的倾覆破坏，当防爆墙的墙体越厚时，其质量越大，在受到爆炸冲击荷载后的墙体转角越小，其抗倾覆性能越好[14]。

爆炸冲击波在传播过程中遇到有限尺寸的目标时主要发生反射与绕流作用，快速拼装式防爆墙的尺寸宽而不高，冲击波主要是从墙体上方绕流到墙后[15]，经过防爆墙的消波作用后，大大削弱爆炸冲击波对墙后目标的破坏作用；当防爆墙距离较近时，冲击波在不同墙体迎爆面间会发生反射作用，增大了防爆墙迎爆面超压。

2.3.1 现场观测结果分析

1)1号、2号防爆墙墙体发生倾覆，但2号墙体的变形程度较1号墙体小，3号防爆墙发生33°倾斜，未发生倾覆，由此可见，3号墙体抗倾覆性能优于1号、2号墙体，防爆墙墙体厚度影响其抗倾覆性能，符合文献[14]的结论。

2)I号集装箱发生严重变形，II号集装箱发生翻转，箱体侧面产生鼓胀变形，III号集装箱顶部也产生挤压变形，但变形程度较I号、II号集装箱小，由于3号防爆墙墙体高度高于1号、2号墙体，其消波效果更显著，由此可见，防爆墙墙体高度影响其消波性能。

3)集装箱内与4号防爆墙后的山羊均未死亡，口鼻处无渗血现象，解剖后未发现其内脏有破损，由此可见，4组防爆墙对于墙后活体目标具有较好的防护能力。

2.3.2 冲击波超压测试结果分析

1)由表3可得，汽车炸弹爆炸后，到达1号、3号防爆墙墙面的冲击波峰值超压平均值分别为31.871 9、33.314 2 MPa，但III号集装箱变形程度较I号集装箱小，由此可见，3号防爆墙的消波性能优于1号防爆墙。

2)由表3和表4可得，汽车炸弹爆炸后，到达1号、4号防爆墙迎爆面的冲击波峰值超压分别为30.871 9 MPa、0.507 6 MPa，在经过墙体消波作用后，墙后冲击波峰值超压最大值分别为0.678 8 MPa、0.096 9 MPa，1号、4号墙体的消波效应分别为97%、81%，有显著的消波性能，墙体布设高度至少为2 m。

3)由图15可得，随着墙后距离的增加，墙后的峰值超压总体呈现出逐渐减小的趋势，在靠近墙体的地方变化效果较为明显，且随着墙后距离的增大，其对墙后远场峰值超压的影响逐渐减弱；1号墙墙后的峰值超压在背爆面到10 m之间衰减最快。

4)分析图15可知，防爆墙后冲击波峰值超压随墙后距离的增大呈现出先减小后增大再减小的趋势，这是由于爆炸冲击波遇到防爆墙后，主要从墙体上方绕流到后方，到达地面后发生反射，当反射波与绕流冲击波相遇后形成马赫反射，使其冲击波超压增大；1号墙与2号墙墙后峰值超压相差不大，其原因为2号墙后加设了一道消波墙，消波墙的存在再次改变了冲击波绕射规律，对超压起到了二次削减作用，因此在墙后1～2.5倍墙高处加设一道消波墙可有效削减马赫反射冲击波。

5)文献[16]研究发现，由于防爆墙的存在，作用于防爆墙迎爆面的冲击波反射超压比墙后冲击波的最大绕射超压大1个数量级，防爆墙消波作用显著，由表3、表4中1号墙各测点的冲击波峰值超压测试结果来看，迎爆面的冲击波反射超压比墙后冲击波最大绕射超压大2个数量级，这是由于1号、3号、4号墙体之间距离较近，冲击波超压在各墙体间反射作用的结果，进一步说明防爆墙具有显著的消波作用；由表3、表4可得，4号墙与其他墙体间不存在冲击波的反射作用，作用于4号墙迎爆面的冲击波反射超压比墙后冲击波的最大绕射超压大1个数量级，符合文献[16]研究结果。