磚隔墻抗爆特性及泄漏空氣沖擊波效應

何 翔， 孫桂娟， 任新見， 楊建超， 陳 力， 王 幸

(軍事科學院國防工程研究院，洛陽 471023)

磚墻作為古老的建筑結構形式，被廣泛應用于地面建筑物外墻及內部分割空間的非承重墻，同時也是地下建筑的隔斷形式之一。無論是戰(zhàn)爭時期還是和平時期，建筑物遭受武器打擊、恐怖襲擊和偶然爆炸的事件層出不窮，爆炸造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，同時對公共建筑、民用建筑和特種建筑產(chǎn)生了極大影響，而通常這些建筑的抗爆能力較弱，特別是其隔墻的抗爆能力更弱，當其承載力不足以抵抗爆炸沖擊荷載時會發(fā)生倒塌破壞，隔墻倒塌后會造成空氣沖擊波的更大范圍傳播和二次破片帶來的次生災害，因此對磚隔墻的抗爆特性研究越來越受到人們的重視。謝超等[1]運用ANSYS/LS-DYNA對混凝土空心砌塊墻體在爆炸荷載作用下的動態(tài)響應進行分析，研究了墻體的破壞模式及6種因素(墻體厚度、砂漿強度、配筋率、約束形式、荷載峰值、爆炸荷載作用時間)對砌塊墻體響應動力的影響；韓正懇[2]對砌塊墻體爆炸與損傷數(shù)值進行了分析與評估；李利莎等[3]對磚墻在爆炸沖擊震動作用下的破壞模式及閾值進行研究，根據(jù)工程內磚墻實際情況建立了簡化的底部固定和周邊無約束磚墻模型，并在模擬爆炸震動沖擊試驗臺上進行三方向單獨作用的沖擊試驗，研究了磚墻模型的動態(tài)響應及破壞時加速度峰值和作用時間；汪劍輝等[4]對防護工程內磚墻模型內水平?jīng)_擊試驗進行研究，介紹了磚墻模型室內水平?jīng)_擊試驗的宏觀破壞現(xiàn)象，并通過宏觀破壞現(xiàn)象及沖擊加速度記錄，對非承重磚墻在瞬態(tài)震動作用下的破壞模式及破壞機理做了簡單分析討論；周曉青等[5]開展了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土墻的動態(tài)響應模擬，對某地下庫房存放的炸藥意外爆炸的情況，用數(shù)值模擬分析其可能的后果；吳平安等[6]對集團裝藥爆炸條件下磚砌體隔墻破壞過程的進行數(shù)值模擬，重點研究了不同材料墻體的飛散規(guī)律,得到了墻體在集團裝藥爆炸沖擊波作用下的破壞形式和碎塊的飛散速度。

目前，前人研究多集中在三個方面：一是爆炸荷載作用下磚墻的毀傷特征、毀傷機理、毀傷準則及倒塌方式研究；二是磚墻毀傷后形成的二次破片及其次生災害研究；三是磚墻毀傷后泄漏空氣沖擊波的分布和傳播規(guī)律研究。與建筑物的承重構件(梁、板、柱)相比，關于磚墻的抗爆特性的研究較少，且采取的研究手段多以數(shù)值仿真為主，試驗為輔，研究內容中對墻毀傷后泄漏空氣沖擊波的分布和傳播規(guī)律的研究極為匱乏?；诖耍栽囼炑芯繛榛A，重點開展磚墻的抗爆特性研究特別是磚墻毀傷后泄漏空氣沖擊波的傳播規(guī)律研究。

1 試驗設計

為研究磚隔墻的抗爆特性，共制作11個磚隔墻試件，磚砌體隔墻試件采用實心黏土磚砌筑，試件表層用水泥砂漿抹面，如圖1(a)所示，試件幾何尺寸為63 cm(長)×63 cm(寬)×14 cm(高)。為便于收集和測量磚隔墻前爆炸造成磚隔墻一定程度破壞后磚隔墻后方的空氣沖擊波強度，用10 mm鋼板制作組合式鋼制模型坑道，模型坑道的尺寸為長15 m，凈截面尺寸為60 cm×60 cm，在模型坑道的側壁布置空壓傳感器，試驗時將磚隔墻試件通過槽鋼約束置于組合式鋼制模型坑道口部外邊緣，裝藥置于試件正前方，爆心對準試件幾何中心，間隔試件表面一定距離，如圖1(b)所示。鋼制模型坑道試件上部堆放土袋減小邊界效應。引爆TNT裝藥，觀察試件的破壞形態(tài)，并實測試件后方坑道側壁的空氣沖擊波壓力。

圖1 試驗布置

試驗基本工況如表1所示。其中設置有磚隔墻試件的毀傷試驗共11次，未設試件的對比試驗8次，對比試驗的裝藥條件包括裝藥量和爆距與相應的設置有磚隔墻試件的毀傷試驗一一對應。

表1 磚砌體毀傷試驗基本工況

2 結果與分析

2.1 磚隔墻的毀傷特征

試驗后記錄磚隔墻的毀傷形態(tài)和特征參量，磚隔墻的破壞現(xiàn)象主要表現(xiàn)為裂縫、砌塊崩落、墻體移位等形式，不同藥量、不同爆距條件下磚隔墻的典型破壞形態(tài)(圖2)。其破壞等級分類及宏觀破壞現(xiàn)象描述可表征如下。

(1)輕微破壞：墻體主要部位無明顯損傷，表現(xiàn)為外表層剝落，墻體有細微裂縫(長寬均較小)，結構最大支座轉角小于2°，如圖2(a)所示。

(2)中等破壞：墻體出現(xiàn)貫穿性裂縫，寬度、長度均較大，少量砌塊崩落(崩落面積小于墻體總面積15%)，結構的最大支座轉角小于5°，如圖2(b)所示。

(3)嚴重破壞：墻體砌塊較大面積崩落(崩落面積小于墻體總面積30%)，結構的最大支座轉角小于10°，如圖2(c)所示。

(4)極嚴重破壞：墻體大部分崩落或垮塌，破壞區(qū)面積大于墻體總面積30%，結構的最大支座轉角大于10°，如圖2(d)所示。

(5)完全破壞：墻體完全解體并垮塌，如圖2(e)所示。

圖2 磚隔墻破壞等級

2.2 實測的空氣沖擊波波形

圖3～圖5分別為3種不同工況(不同裝藥量和不同爆距)同一測點位置有無磚隔墻試件實測的空氣沖擊波超壓波形對比。由圖3～圖5可知，與無磚隔墻坑道中空氣沖擊波相比，有磚隔墻時坑道空氣沖擊波波形呈現(xiàn)以下明顯特征。

(1)沖擊波超壓峰值大幅降低，有無磚隔墻對比，同一測點位置空氣沖擊波超壓峰值降低60%～85%，而作用時間明顯增加，增大150%～300%。

(2)有磚隔墻時沖擊波波形峰值后呈現(xiàn)明顯震蕩，這是由于有磚隔墻試件時爆炸產(chǎn)生的大量二次破片、顆粒和塵埃在坑道中飛散，當它們作用到傳感器時會導致波形的急劇起伏。

(3)有磚隔墻時沖擊波波形峰值之前都首先有一個持續(xù)較短時間(不足1 ms)的峰值較低(不足0.01 MPa)尖峰壓力，尖峰壓力波形可能是磚隔墻破壞前的短暫強烈變形或破壞區(qū)域的墻體材料在爆炸沖切/震塌作用下迅速脫離原位向坑道飛散/運動壓縮密閉空間空氣導致的感生空氣沖擊波。接著當破壞區(qū)域的墻體材料脫離原位后形成空氣沖擊波傳播通道時，部分爆轟產(chǎn)物通過破壞通道泄入坑道形成坑道內泄漏空氣沖擊波傳播，沖擊波壓力突然上升到壓力最大值，即尖峰壓力持續(xù)短暫的時間后,炸藥爆炸產(chǎn)生的泄漏沖擊波波形到達。

圖3 同一測點空氣沖擊波實測波形(裝藥量W=246 g, 爆距r=7.5 cm)

圖6所示為有磚隔墻試件時兩種情況下(較高藥量和較低藥量)不同裝藥量相同爆距不同測點泄漏沖擊波超壓峰值變化規(guī)律的對比。由圖6可知，有磚隔墻試件時相同爆距不同藥量不同測點的泄漏沖擊波超壓峰值的變化規(guī)律呈現(xiàn)以下特點。

圖4 同一測點空氣沖擊波實測波形(W=96 g, r=5.25 cm)

圖5 同一測點空氣沖擊波實測波形(W=260 g, r=71.25 cm)

(1)在較高藥量(W≥200 g)范圍，泄漏沖擊波超壓峰值在相同爆距下隨藥量增大呈上升趨勢，此時磚隔墻的破壞等級為極嚴重破壞以上，如圖6(a)所示，而在較低藥量(W<100 g)范圍，泄漏沖擊波超壓峰值在相同爆距下隨藥量增大變化不明顯，此時磚隔墻的破壞等級為嚴重破壞以下，如圖6(b)所示。

(2)無論是較高藥量范圍還是較低藥量范圍，在藥量、爆距均相同的情況下，泄漏沖擊波超壓峰值隨測點距離增大而下降，但較高藥量范圍與較低藥量范圍相比[圖6(a)和圖6(b)曲線的斜率對比]沖擊波超壓峰值下降的幅度趨于平緩。

ΔP為泄漏沖擊波超壓峰值，MPa

3 結論

首先通過磚隔墻前爆炸墻后空氣沖擊波傳播試驗，得到磚隔墻破壞特征參數(shù)及墻后泄漏空氣沖擊波實測波形；然后分析磚隔墻破壞特征，提出了磚隔墻破壞等級劃分及特征描述，對有無磚隔墻坑道中空氣沖擊波實測波形進行了初步分析，發(fā)現(xiàn)無論是空氣沖擊波波形結構還是沖擊波特征參量(峰值和作用時間等)均存在較大差異。試驗結果表明，磚隔墻雖然遭到不同等級的毀傷，但能夠明顯衰減墻后的泄漏沖擊波強度。試驗數(shù)據(jù)為下一步建立磚隔墻前爆炸墻后的泄漏沖擊波效應工程算法提供了理論依據(jù)。

需要指出的是雖然磚隔墻的存在明顯衰減了墻后的泄漏沖擊波強度，但是爆炸后磚隔墻產(chǎn)生的大量二次破片對墻后一定范圍內的人員和設備等仍具有較大的毀傷能力，在分析計算墻后人員和設備等的毀傷效應時需考慮二次破片和泄漏沖擊波的復合作用。