40 kg TNT當(dāng)量爆炸塔的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析*

胡八一，肖智強(qiáng)，谷 巖，劉 宇，馮東升，劉 軍

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621999)

由于爆炸塔的內(nèi)部空間尺寸以及人員和設(shè)備的進(jìn)出通道可以比爆炸容器設(shè)計(jì)建造得更大，且施工現(xiàn)場(chǎng)不需要整體去應(yīng)力等退火設(shè)備，因此在很多爆炸生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域發(fā)揮著爆炸容器不可替代的作用[1]。然而，由于爆炸塔一般建造在地面上，其內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)仍然是安全管理需要重視的問題，比如：美國(guó)海軍表面武器中心在建成22.5 kg TNT當(dāng)量的爆炸塔時(shí)，就較全面地監(jiān)測(cè)了爆轟產(chǎn)物和地面振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)[2]；21世紀(jì)初美國(guó)勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在設(shè)計(jì)60 kg高能炸藥爆炸塔[3]時(shí)，為確保安全，先按1∶4縮比模型建造了一個(gè)驗(yàn)證塔，并進(jìn)行了全方位的爆炸加載考核驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[4]。中國(guó)目前建造的爆炸塔的設(shè)計(jì)當(dāng)量一般在1～5 kg TNT，各研究單位積累了數(shù)十年安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所新建成的40 kg TNT當(dāng)量爆炸塔，其運(yùn)行時(shí)地面振動(dòng)能否滿足GB 6722─2014(爆破安全規(guī)程)的相關(guān)要求，實(shí)驗(yàn)時(shí)塔體內(nèi)部的附屬功能設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)等諸多問題都需要進(jìn)行考核驗(yàn)證。本文中簡(jiǎn)要介紹了塔體的設(shè)計(jì)情況和考核驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注爆炸加載時(shí)爆炸塔周邊實(shí)驗(yàn)室地面的振動(dòng)參數(shù)，并與相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)未來中國(guó)相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 塔體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)安排

1.1 塔體及炸藥

如圖1所示，塔體采用圓柱段加橢球封頭結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為16 m，圓柱段高9 m。距外壁0.5 m處設(shè)計(jì)了一條基于1∶8縮比塔研究結(jié)果[5]的隔振溝，溝深6.0 m，寬度為0.8 m。塔體四周為抗震實(shí)驗(yàn)室，層高5.1 m，按抗9度地震烈度設(shè)計(jì)。塔體自身采用鋼纖維鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室地面為普通承重混凝土。

炸藥為壓裝TNT藥球，密度不低于1.63 g/cm3，中心起爆。將藥球置于塔內(nèi)中心點(diǎn)，當(dāng)藥球質(zhì)量為15、20、25和40 kg時(shí)，其炸高分別為1.2、1.2、1.5和3.0 m。這樣安排的目的在于減輕炸藥近距離爆炸對(duì)塔內(nèi)地表的破壞作用[6]，同時(shí)適當(dāng)降低周邊實(shí)驗(yàn)室地面的沖擊振動(dòng)幅值。

1.2 傳感器及其布局

采用TP3V-10型三向磁電式速度傳感器(靈敏度為0.21～0.25 V/(cm·s-1))，布設(shè)在如圖1所示的測(cè)點(diǎn)上，由1.5 m長(zhǎng)導(dǎo)線引入拾振器(型號(hào)為UBOX-20016，4通道，A/D轉(zhuǎn)換精度16 bit，最高采樣率達(dá)200 kHz，記錄長(zhǎng)度為8 GB)內(nèi)，通過預(yù)先觸發(fā)設(shè)置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)等待式監(jiān)測(cè)。

15和20 kg TNT爆炸加載時(shí)，在圖1所示的3個(gè)不同高度處布設(shè)速度傳感器；25和40 kg TNT爆炸加載時(shí)，只監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室地面和屋頂?shù)恼駝?dòng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室地面和屋頂?shù)膫鞲衅鏖g距為10 m，其中A1、B1處傳感器在水平方向上距隔振溝外沿約1.2 m；塔頂傳感器的間距為4 m，在水平切向(y方向)布設(shè)少量與水平徑向(x方向)相對(duì)應(yīng)的復(fù)測(cè)點(diǎn)(圖1未標(biāo)識(shí))，以增加隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比觀測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室不同區(qū)域的振動(dòng)特征

由表1數(shù)據(jù)可見：(1) 對(duì)于3個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值，地面上z向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值一般大于水平向(x、y向)，而屋頂上z向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平向，幾乎是水平向的6～7倍，表現(xiàn)出建筑物在地震波作用下振動(dòng)的豎向放大效應(yīng)，爆破工程中對(duì)附近多層建筑物的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果[7-8]也表明存在這種效應(yīng)；(2) 對(duì)于爆炸塔自身而言，其中心頂點(diǎn)(C1)的z向振動(dòng)速度最大，中間位置(C2)的z向振動(dòng)速度約為中心頂點(diǎn)的1/2，塔體邊沿(C3)約為中間位置的1/2，水平向也存在類似規(guī)律。

表1 不同區(qū)域振動(dòng)速度峰值比較Table 1 Comparison of vibration velocity peaks in different zones

表2給出了在4種當(dāng)量炸藥爆炸加載下水平徑向(x向)不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值。從表2中可見：(1) 距爆心最近的A1測(cè)點(diǎn)(隔振溝外側(cè)邊沿)，其水平徑向(x向)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值往往大于該點(diǎn)的豎向(z向)振動(dòng)速度峰值，但稍微遠(yuǎn)離隔振溝邊沿后該現(xiàn)象隨即消失，即依然是豎向振動(dòng)速度峰值大于水平徑向；(2) TNT當(dāng)量從15 kg遞增到40 kg時(shí)，最大峰值振速為3.67 cm/s，并且隨著爆心距離的增加，地面振動(dòng)速度迅速衰減。對(duì)照GB 6722─2014：當(dāng)振動(dòng)頻率在10～50 Hz范圍時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑允許的安全振速為3.5～4.5 cm/s；當(dāng)振動(dòng)頻率在50～100 Hz范圍時(shí)，該安全振速提高到4.2～5.0 cm/s。因此可以認(rèn)為，爆炸塔周邊實(shí)驗(yàn)室的建筑結(jié)構(gòu)在爆炸塔全當(dāng)量運(yùn)行時(shí)是安全的，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

表2 不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值Table 2 Comparison of vibration velocity peaks at different measure points

2.2 速度波形的頻率及能量特征

圖2顯示了地面振動(dòng)的典型速度波形以及經(jīng)快速傅里葉變換(fast Fourier transformation， FFT)所得功率譜密度及特征主振頻率，其中vmax為最大振速，fm為主振頻率，ttot為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。綜合本實(shí)驗(yàn)中所得速度波形特征，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：(1) 地面振動(dòng)持續(xù)時(shí)間一般在5～10 s，與現(xiàn)場(chǎng)人體的體感一致，明顯比小藥量縮比塔實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)得多[5]，且對(duì)人體的搖晃更強(qiáng)烈；(2) 振動(dòng)頻率主要在15～150 Hz范圍，與縮比塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，高頻成分更少，即振動(dòng)頻率整體向低頻方向偏移。豎向(z向)的振動(dòng)頻率相比水平向而言，向低頻方向的移動(dòng)更明顯和集中，即由縮比實(shí)驗(yàn)的100～800 Hz平移至15～60 Hz。

由于爆炸振動(dòng)信號(hào)屬于典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，因此采用小波包分析技術(shù)[9-10]比傳統(tǒng)的FFT分析更有效，更重要的是它可以給出不同頻帶的振動(dòng)能量分布信息[11]。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置采樣頻率為5 kHz，故其Nyquist頻率為2.5 kHz，運(yùn)用db8進(jìn)行小波包分解，可將信號(hào)分解到第9層，即共有29=512個(gè)小波包，對(duì)應(yīng)的最低頻帶為0～9.8 Hz，最高頻帶為1.25～2.50 kHz。表3列出了25 kg TNT爆炸加載時(shí)實(shí)驗(yàn)室地面和屋頂6個(gè)測(cè)點(diǎn)z方向的振動(dòng)信號(hào)能量分布及總能量E，其中φE為振動(dòng)信號(hào)在不同頻帶上的能量占總能量的比例，f為頻率。

表3 豎向振動(dòng)信號(hào)的能量分布Table 3 Energy distribution of the vibration signal in z direction

表4給出了實(shí)驗(yàn)室地面A2點(diǎn)在兩種炸藥爆炸加載下沿x、y、z3個(gè)方向振動(dòng)信號(hào)的頻帶能量分布和總能量E的比較。綜合表3和表4數(shù)據(jù)，可以看到：(1) 無論地面還是屋頂，豎向(z向)振動(dòng)能量主要集中在10～40 Hz，占全部能量的77%～99%，因此要衰減或隔離這種幾十千克TNT當(dāng)量爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，目標(biāo)應(yīng)瞄準(zhǔn)10～150 Hz范圍，重點(diǎn)在10～40 Hz頻段；(2) 豎向(z向)攜帶的能量最大，是水平徑向(x向)的3～4倍，是水平切向(y向)的19～52倍，因此如何有效降低或隔離豎向振動(dòng)是爆炸沖擊隔振需要重點(diǎn)關(guān)注的問題；(3) 同文獻(xiàn)[10]中數(shù)噸級(jí)硝銨炸藥爆破產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)相比，幾十千克TNT當(dāng)量炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波在0～10 Hz和150 Hz以上頻段所攜帶能量很少，而大爆破在0～10 Hz頻段仍包含10%～47%的能量，這是二者最顯著的差別；在文獻(xiàn)[9]中幾十千克硝銨炸藥的延時(shí)爆破作業(yè)中，所監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)主頻在20～100 Hz范圍，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也在5～10 s范圍，各測(cè)點(diǎn)的80%能量對(duì)應(yīng)的頻譜范圍也不超過10～125 Hz，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有極好的一致性。

表4 兩種載荷下A2點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)能量分布Table 4 Energy distribution of the vibration signal at A2 point under two loads

3 討 論

為進(jìn)行對(duì)比研究，在中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所的5 kg爆炸塔進(jìn)行了一發(fā)4.04 kg TNT當(dāng)量地面振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。該塔周邊有一條1 m深隔振溝。炸藥中心距塔內(nèi)地面高0.9 m，同型號(hào)速度傳感器布置在5 kg爆炸塔外壁2、8、15 m處，地面三向振動(dòng)速度峰值見表5。對(duì)比表2和表5數(shù)據(jù)，可以看到：距離爆炸塔外壁越近，振動(dòng)越劇烈，且40 kg爆炸塔在x、y、z3個(gè)方向上的振動(dòng)峰值均遠(yuǎn)超過5 kg爆炸塔；對(duì)于40 kg爆炸塔，當(dāng)距離爆心較遠(yuǎn)(大于20 m)時(shí)，地面振動(dòng)很快降到比5 kg爆炸塔15 m處的振動(dòng)還要小的程度。

表5 5 kg爆炸塔地面振動(dòng)速度峰值測(cè)量結(jié)果Table 5 Vibration velocity peak of the ground neigboring the 5 kg TNT equivalent blast containment chamber

文獻(xiàn)[5]中監(jiān)測(cè)到的地面振動(dòng)時(shí)間很短，在0.1～0.2 s之間(藥量0.3～2.3 kg TNT)，而本實(shí)驗(yàn)中為5～10 s，由此可見地面振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與藥量正相關(guān)，即藥量越大，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)也揭示出6 m深隔振溝并未起到文獻(xiàn)[5]中所預(yù)期的隔振效果，或者說隔振效果很差。原因何在？從表4中的數(shù)據(jù)可見，80%～90%的振動(dòng)能量集中在10～80 Hz范圍，其中豎向振動(dòng)能量的80%～95%集中在10～40 Hz范圍；而文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算所采用的瑞利波頻率為200 Hz，明顯偏大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，即實(shí)際瑞利波波長(zhǎng)λR應(yīng)為28.5 m左右，若再依據(jù)朱振海等[12]的動(dòng)光彈研究結(jié)果，3λR深的隔振溝才能基本隔離沖擊形成的表面波，從而充分解釋了為何國(guó)內(nèi)眾多爆炸塔隔振效果不佳的緣由。這也說明在近距離實(shí)驗(yàn)室條件下，期望依靠隔振溝有效衰減幾十千克炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，在實(shí)際工程中既難實(shí)現(xiàn)，也不經(jīng)濟(jì)。

因此，今后要設(shè)計(jì)高于5 kg TNT當(dāng)量的爆炸塔時(shí)，可采用隔振支座的整體隔振方式[13-14]。日本高鐵沿線建筑物采用隔振基座后，對(duì)火車高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的25 Hz沖擊振動(dòng)的隔振效果很好[15]。此外，在使用10和25 kg爆炸容器系統(tǒng)時(shí)未監(jiān)測(cè)到明顯的地面沖擊振動(dòng)[16-17]，其原因在于爆炸容器通過鞍座放置在地面上，支撐鞍座的支架在一定程度上起到了減震器的作用，所以當(dāng)爆炸容器運(yùn)行時(shí)，傳到地面的振動(dòng)幅值僅為鞍座上的1/20～1/5。

4 結(jié) 論

(1) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，40 kg爆炸塔旁側(cè)實(shí)驗(yàn)室地面的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值小于5 cm/s，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率尤其是豎向振動(dòng)頻率大于10 Hz，滿足GB 6722─2014(爆破安全規(guī)程)的安全允許振動(dòng)要求。

(2) 與1∶8縮比塔及5 kg爆炸塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，40 kg爆炸塔激發(fā)的地面沖擊振動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，達(dá)5～10 s，人體的主觀感受更強(qiáng)烈。說明早期基于縮比塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的瑞利波波長(zhǎng)(λR=2.85 m)隨著藥量的增大而變化。本實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的豎向振動(dòng)頻率集中在10～40 Hz范圍，縮比塔在200～500 Hz范圍，故瑞利波波長(zhǎng)實(shí)際增大了約10倍。

(3) 小波包分析很適合于這類沖擊振動(dòng)信號(hào)分析，分析表明：豎向振動(dòng)(z向)所攜帶的能量是同一點(diǎn)水平向(x、y向)振動(dòng)所攜帶能量之和的2.5～4.0倍；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)中超過95%的能量處于10～160 Hz頻段，其中在10～80 Hz范圍包含至少75%以上的能量，而豎向振動(dòng)信號(hào)中超過90%的能量集中在10～40 Hz頻段；爆炸產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)有豎向放大效應(yīng)，即屋頂?shù)馁|(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值是地面的2～3倍，振動(dòng)所攜帶的能量則是地面的幾十倍，故不建議在屋頂放置其他實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備。

(4) 傳統(tǒng)的隔振溝技術(shù)在小藥量爆炸時(shí)是勉強(qiáng)可行的；隨著藥量的增大(超過5 kg TNT)，建議采用獨(dú)立地基加減振支座的隔振設(shè)計(jì)，目前中國(guó)建筑界在該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和施工能力[18]已基本成熟可靠。

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