輕質(zhì)易碎結(jié)構(gòu)在氣體爆炸泄壓防護中的使用研究

高康華， 王明洋， 郭強， 趙天輝， 孫松

(1.陸軍工程大學 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210007； 2. 92656部隊， 海南 三亞 572000)

0 引言

輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)在室內(nèi)爆炸事故發(fā)生時能迅速碎裂成塊狀或粉末狀，并形成泄壓口，是工業(yè)建筑中常見的泄爆結(jié)構(gòu)，如易碎泄爆輕型窗、輕質(zhì)易碎墻(屋蓋)等[1-2]。泄爆結(jié)構(gòu)的泄壓指標主要包括開啟壓力、開啟持續(xù)時間和有效泄壓面積等，輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)能否在規(guī)定的開啟壓力下迅速達到設(shè)計泄壓面積，取決于結(jié)構(gòu)自身破壞效果，受到材料性能、幾何尺寸、邊界條件、安裝方式以及生產(chǎn)、運輸及施工等各環(huán)節(jié)中諸多因素的影響，在工程應(yīng)用中預(yù)估其開啟壓力尤為重要。我國國家標準GB50016—2014 建筑設(shè)計防火規(guī)范[3](簡稱規(guī)范GB 50016—2014)中主要以“盡量減少泄壓面積單位質(zhì)量(即重力慣度)和連接強度”為泄壓設(shè)施設(shè)計要求，規(guī)定“泄壓結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量不宜大于60 kg/m2”，該范圍內(nèi)泄壓結(jié)構(gòu)質(zhì)量對爆炸泄壓影響較小[4]，但未給出具體的泄壓指標檢測值；圖集14J938抗爆、泄爆門窗及屋蓋、墻體建筑構(gòu)造[1]給出了輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的構(gòu)造詳圖和選用材料的物理性能指標，要求進行泄爆性能實驗及必要的二次設(shè)計，但并未給出具體的檢測指標和實驗方法。在使用范圍上，文獻[1]將輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)應(yīng)用在內(nèi)含高能爆炸物、炸藥等危險等級較高的生產(chǎn)工房及抗爆間室，這類建筑內(nèi)發(fā)生爆炸事故時往往產(chǎn)生較大的沖擊波超壓和長時間的準靜態(tài)氣體壓力，可滿足易碎泄壓結(jié)構(gòu)的破壞要求；而對可能發(fā)生氣體爆炸的危險性建筑物，采用易于泄壓的門窗、輕型泄壓墻(屋蓋)，由泄爆螺栓、構(gòu)造節(jié)點連接處受爆炸作用斷裂或脫落形成泄壓口[3]，此類泄壓結(jié)構(gòu)常以開啟靜壓Δps為泄壓性能指標[5-6]。

對輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)，泄壓口形成涉及爆炸壓力發(fā)展、結(jié)構(gòu)頻率、動力響應(yīng)等因素，開啟靜壓很難全面反映其泄壓能力。而泄壓指標檢測又十分困難，若以給定的氣體爆炸荷載和泄壓結(jié)構(gòu)進行動力分析，確定出等效靜載，再由靜載實驗檢測結(jié)構(gòu)泄壓性能，會存在以下問題：首先，氣體爆燃是氣體燃燒快速發(fā)展、伴隨化學反應(yīng)的不定常流動過程，重物、設(shè)備、液壓和氣囊等靜力加載實驗可測得泄壓結(jié)構(gòu)破壞初始壓力，卻很難模擬氣流泄放和結(jié)構(gòu)破裂全過程，如文獻[1]中在龍骨兩側(cè)安裝纖維增強水泥板的雙面層泄壓結(jié)構(gòu)，爆炸壓力作用下迎爆面板先破裂，而后氣體流入結(jié)構(gòu)內(nèi)再使外側(cè)面板破裂，外側(cè)面板壓力分布取決于內(nèi)側(cè)面板的破裂情況，結(jié)構(gòu)最終泄壓面積也受氣流泄放影響；其次，靜載實驗無法體現(xiàn)爆炸加載速率對材料強度的影響。若采用凝聚相炸藥，無論是開敞空間還是密閉空間中爆炸，產(chǎn)生的爆炸荷載上升時間均在幾毫秒至十幾毫秒量級，遠小于一般建筑物內(nèi)氣體爆燃壓力上升時間，也無法滿足測試需求。

實際上，輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)成本低、施工方便，能夠滿足較大面積的泄壓需求，通過改變結(jié)構(gòu)材料和組成型式，可兼顧保溫、隔音、防火、承重等建筑功能，發(fā)展?jié)摿Υ蟆５捎谄湫箟哼^程受影響因素較多，且尚未有明確的泄爆檢測方法，大大限制其適用范圍。本文分析輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)破壞特性，結(jié)合氣體爆炸加載實驗，研究此類泄壓結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑物內(nèi)氣體爆炸泄壓防護的可行性，并提出一套泄壓性能檢測方法，為其使用、泄壓效果評估和泄爆設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 泄壓結(jié)構(gòu)承受的爆燃荷載

建筑物內(nèi)氣體爆炸事故大多以爆燃形式出現(xiàn)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h小于聲速，能量釋放較為緩慢，可認為空間內(nèi)各點壓力增長一致，并忽略爆燃壓力波的反射，認為結(jié)構(gòu)承受等同于室內(nèi)爆燃壓力的均布荷載[7-8]。文獻[9-10]指出，一般情況下室內(nèi)氣體爆燃壓力峰值上升時間在100～300 ms左右，遠大于建筑結(jié)構(gòu)振動周期，但爆炸后期壓力上升速率迅速增大仍會引發(fā)動力效應(yīng)[11-12]，在對室內(nèi)結(jié)構(gòu)動力計算時可按等效靜載法確定結(jié)構(gòu)荷載[6]。輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)在室內(nèi)壓力作用下破裂形成泄壓口，而破裂過程又影響室內(nèi)壓力發(fā)展，其承受荷載僅與加載初始t0時刻到結(jié)構(gòu)破壞tv時刻這一時段內(nèi)的爆燃壓力相對應(yīng)，如圖1中實線所示，簡化計算時也可視為直線上升，如圖1中虛線所示。由于輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的強度遠小于梁、柱、墻板等構(gòu)件，可不考慮其他構(gòu)件先于泄壓結(jié)構(gòu)破壞形成的泄壓口對t0～tv時段室內(nèi)壓力的影響，并認為泄壓結(jié)構(gòu)破壞前室內(nèi)近似于密閉狀態(tài)。圖1中爆燃荷載的具體形式Δp(t)可按簡化計算模型[13-15]或數(shù)值模擬[16-17]確定，本文按密閉條件下室內(nèi)氣體爆燃壓力經(jīng)驗公式[18]確定：

(1)

式中：t為時間；Δpv為tv時刻相應(yīng)的室內(nèi)氣體爆燃壓力。

圖1 泄壓結(jié)構(gòu)承受的爆燃荷載Fig.1 Deflagration load on venting structure

2 泄壓結(jié)構(gòu)動力特性分析

輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)，通常將輕質(zhì)易碎板材固定在預(yù)先設(shè)計的龍骨網(wǎng)格上，泄壓效果取決于各龍骨網(wǎng)格內(nèi)板材受載破裂形成的孔洞面積，與室內(nèi)壓力和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)相關(guān)。計算時可取單個網(wǎng)格尺寸的泄壓結(jié)構(gòu)，簡化為4邊固支板進行動力分析，圖2給出了均布動載作用下單層板動力計算示意圖，取板中面為Oxy平面。理論上輕質(zhì)易碎板材塑性變形階段越短，越有利于泄壓口的快速有效開啟，故假設(shè)跨中最大位移到達彈性極限時板開始破壞。根據(jù)彈性薄板振動理論，雙向矩形板振動方程為

(2)

W11(x,y)={[cosh (αmx)-cos (αmx)]-
am[sinh (αmx)-sin (αmx)]}·
{[cosh (αny)-cos (αny)]-
an[sinh (αny)-sin (αny)]},

(3)

α為頻率系數(shù)，a為振型系數(shù)，可按已有表格取值[19]，Tmn(t)為各振型分量，

(4)

(5)

Pmn(t)、Mmn為第(m,n)階廣義力和廣義質(zhì)量，ωmn為固有頻率，amn、bmn由初始條件確定，τ為時間參量，s為面積。

圖2 泄爆結(jié)構(gòu)計算示意圖Fig.2 Calculating diagram of venting structure

結(jié)構(gòu)抗爆計算理論[20]表明，計算結(jié)構(gòu)最大動位移時，高階振型影響隨著升壓時間增大而減小，結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)彎曲變形。當作用于支承構(gòu)件上的動載按同一規(guī)律隨時間變化且荷載分布較為均勻時，可按單自由度等效體系進行計算，在此僅考慮4邊固支板彈性振動的第1振型，不計阻尼時，位移動力函數(shù)K1.1(t)為

(6)

(7)

對直線上升荷載形式，如圖1中虛線，有f(t)=t/tv，則有

(8)

兩種荷載作用下結(jié)構(gòu)位移放大系數(shù)如圖3所示。

圖關(guān)系圖

圖4 室內(nèi)氣體爆燃壓力示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal gas deflagration pressure

3 泄爆性能實驗

采用受限空間內(nèi)部氣體爆燃對泄壓結(jié)構(gòu)加載的方式，可使實驗過程較為真實地反映實際情況。泄壓結(jié)構(gòu)在開啟(破裂)后泄放內(nèi)部氣體以迅速減小室內(nèi)壓力，檢測時應(yīng)以其開啟(破裂)時刻對應(yīng)的室內(nèi)壓力作為開啟壓力。本文選用纖維增強水泥板泄爆結(jié)構(gòu)常用的硅酸鈣板進行實驗，圖5給出了實驗示意圖、實驗裝置實物圖和測試泄壓板具體尺寸。實驗時將泄壓板固定在加載裝置一端，而后充入氣體，以氣體濃度調(diào)控爆炸壓力形式，用點火裝置點燃后產(chǎn)生爆炸壓力對泄壓板加載[21]，通過壓力傳感器量測荷載時程，泄壓板背爆面應(yīng)變傳感器用于確定板破裂的初始時刻。

圖5 氣體爆燃加載實驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of gas deflagration loading

表1給出了不同類型泄壓結(jié)構(gòu)的開啟靜壓及開啟動壓，開啟靜壓為均布加載下板破裂時的靜載值，根據(jù)實驗確定；表1中結(jié)構(gòu)類型1、2、3分別為厚度為10 mm(批次1)、10 mm(批次2)和8 mm的單層板；類型4為雙面層結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部中空，龍骨一側(cè)為單層8 mm厚板，內(nèi)側(cè)作為迎爆面，另一側(cè)為10 mm(批次2)厚板，實驗時以該側(cè)板外側(cè)面上應(yīng)變傳感器的破裂時刻作為整個泄壓結(jié)構(gòu)的破裂時刻。

表1 硅酸鈣板泄壓結(jié)構(gòu)開啟壓力

表1中數(shù)據(jù)顯示某類泄壓結(jié)構(gòu)的破壞超壓隨著爆燃壓力作用時間增大呈減小趨勢，當tv增大到臨界值tv,l后，Δpv,d會趨近于一個穩(wěn)定值Δpv,l，對類型1的單層泄壓板，該穩(wěn)定值接近于開啟靜壓；對類型4的雙層泄壓板，該穩(wěn)定值要大于兩個板對應(yīng)開啟靜壓中的最大值。為此，若不考慮爆燃荷載作用時間的影響，僅以開啟靜壓作為輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的泄壓指標，會使室內(nèi)實際泄爆壓力大于設(shè)計泄爆壓力，這是在泄爆設(shè)計中一定要注意的。

圖6 單層泄壓板爆炸荷載時程曲線Fig.6 Time history curves of gas explosion load of single layer venting board

4 泄壓板破壞效果預(yù)估

下面針對泄壓結(jié)構(gòu)類型1的單層板，用第2節(jié)簡化計算方法預(yù)估破壞效果。圖6為工況1～工況4中泄壓板承受的爆炸荷載時程曲線，實線為經(jīng)低通濾波后的壓力曲線，根據(jù)實測壓力數(shù)據(jù)及板的自振頻率范圍，取截止頻率為200 Hz；計算時將實測壓力按Δp(t)=Δpmf(t)擬合，Δpm為峰值超壓，令荷載1為Δp1(t)=Δpmf1(t)，按指數(shù)上升形式擬合f1(t)=A0+A1et/t1，t1為擬合參數(shù)，如圖6中虛線；令荷載2為Δp2(t)=Δpmf2(t)，如圖1中虛線，按直線上升三角形擬合f2(t)=t/tm，tm為峰值超壓到達時間，也即荷載作用時間，各工況具體參數(shù)取值見表2.

表2 實測荷載擬合關(guān)系式參數(shù)取值

將表2中參數(shù)代入(3)式、(4)式、(5)式計算出位移后，取t=tm時板的跨中位移作為板的最大位移wm；取板在開啟靜壓作用下斷裂時的跨中位移作為極限位移wl，對承受均布靜載q、四邊固支的雙向矩形板，當板的長寬比為2時，wl可由靜載實驗獲得，也可根據(jù)經(jīng)典板殼理論[19]按wl=0.002 54qb4/D確定。若wm≥wl則認為泄壓板破裂，計算參數(shù)取板長×寬×厚l×b×h=1.2 m×0.6 m×0.01 m，ρ=1 310 kg/m3，ν=0.3，E=1 316 MPa.

表3給出了單層泄壓板破壞情況，表明本文簡化計算方法可較好預(yù)估單層泄壓板在給定荷載作用下是否破裂，采用荷載1和荷載2兩種形式的計算位移相差不大，表明計算工況下K1.1,d1→1，可忽略荷載對結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)。

表3 單層泄壓板破壞情況預(yù)估

值得注意的是，運用簡化方法計算泄壓結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，會與實際情況有一定偏差。一方面實驗所用硅酸鈣板在爆燃荷載作用下，實際上仍經(jīng)歷了彈、塑性變形到斷裂破壞的過程，而本文僅按彈性振動計算跨中位移。由于彈性振動階段對應(yīng)的爆燃荷載無法確定，計算中采用板斷裂時的實測荷載形式，且未考慮加載速率對板抗力的影響，使表3中計算位移wm整體偏大。此外計算模型中四邊固支邊界條件、1階振型函數(shù)、爆炸荷載均勻分布等假設(shè)也與實際工況有差別。另一方面是由于計算時選取的力學參數(shù)與實際參數(shù)的差別，目前硅酸鈣板制作遵循的相關(guān)規(guī)范[22-23]，主要為了滿足建筑使用功能需求，并非針對泄壓要求制作。現(xiàn)有相關(guān)標準[1,22-23]中主要以抗折強度反映硅酸鈣板強度，其檢測實驗方法按國家標準GB/T7019纖維水泥制品試驗方法[24]執(zhí)行，而一般的硅酸鈣板出廠檢測報告并未給出彈性模量、泊松比等力學參數(shù)，計算時這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范[25]采用必要的實驗得到，文獻[26]通過實驗發(fā)現(xiàn)不同厚度硅酸鈣板的彈性模量不同，認為硅酸鈣板在工廠制造時由于厚度不同產(chǎn)生的差異會導(dǎo)致彈性模量的變化。本文計算中的彈性模量，是運用本文實驗中爆炸加載裝置，在端口部固定泄壓板后，通過抽取真空使容器內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以此對泄壓板均布加載，根據(jù)測得的壓力和板跨中位移，按wl=0.002 54qb4/D計算得到，如表4所示。

表4 單層泄壓板靜彈性模量

表4數(shù)據(jù)顯示不同厚度、同一厚度不同批次硅酸鈣板的彈性模量均有較大偏差，說明當前用于輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的硅酸鈣板受制作工藝等因素影響，理論計算中所需的力學參數(shù)離散性較大且不易確定，本文簡化計算方法僅作為泄壓結(jié)構(gòu)破壞預(yù)估的一種手段，開展泄壓性能測試實驗是十分必要的。

5 泄爆性能檢測實驗方法

泄爆性能檢測實驗包括泄爆有效性評估、開啟動壓確定和泄壓結(jié)構(gòu)型式設(shè)計等。

泄爆有效性評估檢測，即測試泄壓結(jié)構(gòu)在給定設(shè)計開啟壓力下是否能開啟(破裂)，并形成粉末或碎塊。首先根據(jù)設(shè)計泄爆壓力，調(diào)整加載裝置內(nèi)氣體濃度，使室內(nèi)爆燃壓力上升速率接近設(shè)計泄爆壓力，如無具體壓力發(fā)展時程，也可根據(jù)給定的Δpm/tm確定平均斜率，使點(tm，Δpm)落于加載荷載上；而后點火引爆氣體，并在泄壓結(jié)構(gòu)上加載，通過應(yīng)變計量測板斷裂時刻tf，當tm≥tf，說明泄壓結(jié)構(gòu)在室內(nèi)壓力達到設(shè)計超壓之前即破裂開啟，滿足泄爆開啟要求；最后觀察板破裂后實際情況判定是否滿足泄壓需求，若tm

圖7 泄爆有效性評估實驗流程圖Fig.7 Flow chart of venting validity evaluation

確定泄壓結(jié)構(gòu)開啟動壓時，可在實驗裝置中依次由小到大充入不同濃度的可燃氣體，產(chǎn)生一系列作用時間逐漸增大的爆炸荷載，并通過實驗確定破壞時刻對應(yīng)的室內(nèi)壓力，作為泄壓結(jié)構(gòu)在不同長度作用時間下的開啟動壓。

對易碎泄壓結(jié)構(gòu)型式設(shè)計，可先根據(jù)給定設(shè)計開啟動壓選擇某類泄壓結(jié)構(gòu)，再運用本文簡化計算方法，預(yù)估其在設(shè)計開啟動壓作用下是否開啟(破裂)。對有兩層面板的泄壓結(jié)構(gòu)可選開啟靜壓較大的單層板進行計算，計算結(jié)果符合要求后再進行實驗，可減少實驗次數(shù)、提高實驗效率。實驗時，若測試結(jié)果不滿足泄壓設(shè)計需求，則調(diào)整泄壓結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料性能，再重復(fù)實驗，直到滿足需求為止。具體流程見圖8，圖中“確定計算參數(shù)”是指根據(jù)靜載實驗確定出計算所需的彈性模量、泊松比、密度等力學參數(shù)，“動載實驗加載”是指按圖7流程進行的檢測實驗。

圖8 泄爆結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗流程圖Fig.8 Flow chart of venting structure design

6 結(jié)論

2)氣體爆炸泄爆設(shè)計中，若選用輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先考慮應(yīng)用于tv≥tv,l的情況，以Δpv,l作為其泄爆壓力指標；若tv

3)輕質(zhì)易碎結(jié)構(gòu)用作泄壓結(jié)構(gòu)，必須進行泄爆性能檢測。采用氣體爆炸加載實驗方法，能夠較好地模擬實際工況中輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的泄壓過程，有效測試其泄爆性能，并可通過實驗調(diào)整泄壓結(jié)構(gòu)型式以滿足泄爆需求。

下一步應(yīng)研究用作輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)各類板材的材料動力特性，并在現(xiàn)行規(guī)范和圖集的基礎(chǔ)上，建立輕質(zhì)易碎泄壓結(jié)構(gòu)的泄爆性能檢測方法，以及發(fā)展功能全面的爆炸加載實驗裝置，對檢驗輕質(zhì)易碎泄爆結(jié)構(gòu)的防護效果和評估泄壓面積設(shè)計的合理性具有重要意義。

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