砖隔墙前爆炸泄漏空气冲击波工程算法

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)

当前中外在常规武器自由场和均质介质中爆炸效应方面的研究已取得长足进步，积累了较为丰硕的研究成果，能够基本回答工程结构抗爆设计、弹药设计等一些基础性问题。然而，随着常规武器的发展，侵彻能力、爆炸威力和命中精度均得到显著提高，来袭弹药贴近目标或侵入目标中爆炸已成为现实，近区爆炸、结构中爆炸、密闭空间爆炸等复杂爆炸环境已成为常态，由于爆炸当量及炸点位置不同，周边环境不确定，同时目标和结构形式、涉及材料类型也多种多样，给爆炸荷载传播与分布规律、结构及构件的抗爆性能、破坏机理、毁伤判据等研究带来了很多不确定性因素，影响因素比自由场和均质介质中简单爆炸环境明显增多，特别是爆炸荷载的分布与结构毁伤密切相关，结构的存在不仅明显改变了爆炸荷载的分布，而且改变了炸药爆炸能量的释放机理与分配规律。此类爆炸问题涉及高温、高压、高速、材料大变形、应变率效应、结构与荷载相互作用等极端条件的瞬态动力学问题，比通常的流体力学问题、空气动力学问题及结构动力学问题要复杂得多，现有简单爆炸环境研究成果远不能满足现实的要求，也难以直接回答复杂爆炸环境的一些科学技术问题。如现实中的目标错综复杂，结构壁面的约束作用使得冲击波峰值超压将降低得很慢，持续时间很长，与空气介质中的爆炸存在较大差异；关于装药临近结构爆炸或埋入结构中爆炸结构遭到不同程度毁伤后续的冲击波传播的研究有些仍然按照原始药量进行计算，这相当于原始装药在自由大气中爆炸，显然结构要消耗一部分炸药能量，存在结构不同程度毁伤装药能量分配关系以及与自由大气中爆炸的药量等效关系，只有对原始装药能量进行重新分配或建立与自由大气中爆炸的药量等效关系，后续的冲击波传播计算才是可靠的。因此临近结构或结构中爆炸结构后方的冲击波传播规律及荷载研究是复杂爆炸环境中迫切需要解决的课题。

此类爆炸环境的典型问题如砖隔墙前造成砖隔墙一定毁伤程度墙后的泄漏冲击波效应研究，当炸药临近砖隔墙爆炸时，依据炸药质量、爆距和砖隔墙抗爆能力的不同，砖隔墙的毁伤表现为贯穿型裂缝、部分砌体脱落、砖隔墙错位、大面积缺口形成、大面积坍塌、完全倒塌等形式，接着爆炸产物通过缺口涌向砖隔墙后方并形成墙后的泄漏冲击波传播，在该问题中炸药能量一部分毁伤砖隔墙，另一部分转化为墙后泄漏空气冲击波。目前，对此问题的研究极为有限。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了分析，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；田玉滨等[2]基于LS-DYNA通过改变墙体的约束情况、砌体材料的强度等级、纵向配筋率、高宽比、荷载峰值、墙体距爆心点距离、墙体开洞以及粘贴玻璃纤维复合材料等，得到配筋砌体墙在爆炸荷载作用下的变形规律、破坏情况以及结构墙体中砌体材料、配筋的应力和位移随时间的变化规律；韩正恳[3]对砌块墙体爆炸与损伤数值进行了分析与评估；李利莎等[4]为研究砖墙在爆炸冲击震动作用下的破坏模式及阈值，根据工程内砖墙实际情况建立了简化的底部固定、周边无约束砖墙模型，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，研究砖墙模型的动态响应及破坏时加速度峰值、作用时间；汪剑辉等[5]通过防护工程内砖墙模型内水平冲击试验，介绍了砖墙模型室内水平冲击试验的宏观破坏现象，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[6]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[7]对集团装药爆炸条件下砖砌体隔墙破坏过程的数值模拟，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。

建筑物遭受常规武器打击、恐怖袭击和偶然爆炸后，与建筑物的承重构件(梁、板、柱)相比，砖墙的抗爆能力是最薄弱的，砖墙倒塌后会引起冲击波在更大范围传播并造成建筑物内部人员和设备的毁伤。目前，对砖墙的抗爆特性特别是砖墙毁伤后泄漏空气冲击波的传播规律研究相对薄弱，尚未给出实用的泄漏空气冲击波效应工程计算方法，直接影响了建筑物的毁伤评估。为此，以试验研究为基础，通过研究并提出砖墙的砖墙毁伤后泄漏空气冲击波的工程算法，以期对开展建筑物毁伤评估提供一定的科学依据。

1 试验数据

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(图1)，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(图2)。引爆TNT装药，并实测试件后方坑道侧壁的空气冲击波压力。为考察有无砖隔墙试件对空气冲击波的影响，除完成有砖隔墙试件的毁伤试验11次外[图3(a)]，还完成了未设试件的对比试验8次[图3(b)]，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。

图1 水泥砂浆抹面实心黏土砖试件

图2 试验现场布置

图3 有无砖隔墙爆炸试验

集团装药在砖隔墙近处爆炸，将造成砖隔墙不同程度的破坏。破坏程度不同时，隔墙后方的冲击波分布不同，其取值与装药量Q、爆距R、隔墙后方坑道横截面积S(等效直径D)、测点至隔墙的间距X有关。表1所示为砖隔墙试件抗爆效能试验实测冲击波超压峰值数据。

2 泄漏冲击波超压峰值工程算法

由量纲分析得：

(1)

式(1)中：ΔP为坑道中冲击波超压峰值，MPa；Q为原始装药量，kg；X为测点至坑道口部边缘距离，m；S为坑道横截面积，m2；D为坑道等效直径，m；R为爆距(爆心至试件外表面距离)，m。

由实测数据(表1)拟合得到砖隔墙后方泄漏冲击波压力传播公式，如式(2)所示：

(2)

拟合结果的相关系数R=0.926，标准差SD=0.085 6。

泄漏冲击波超压峰值按式(2)计算的拟合值(表1)与试验实测值的平均误差为14.9%。

3 药量等效系数工程算法

等效药量是指无砖隔墙时产生与有砖隔墙时坑道中同一位置相同超压效果时对应的药量，采纳目前经过系统研究得到的坑道内爆炸空气冲击波超压峰值计算式(2)计算在有砖隔墙时泄漏空气冲击波超压峰值:

(3)

表1 砖隔墙爆炸毁伤试验冲击波超压峰值

注：ΔP为坑道中冲击波超压峰值，MPa。

由式(3)结合试验实测结果推算得在坑道中相同位置产生相同大小超压峰值所需的药量ω，将其作为无砖隔墙条件下的等效药量，继而得到药量等效系数ω/Q，如表2所示。

表2 砖隔墙前爆炸等效药量

由量纲分析得：

(4)

由表2数据进行公式拟合得：

(5)

拟合的相关系数R为0.977，标准差SD为0.0439。

4 砖隔墙的抗爆防护作用

表3 砖隔墙试件抗爆效能对比试验实测数据

由量纲分析得：

(6)

式(6)中：Q为原始装药量，kg；X为测点至坑道口部边缘距离，m；S为坑道横截面积，m2；D为坑道等效直径，m；R为爆心距(爆心至坑道口部边缘距离)，m。

拟合得砖隔墙抗爆超压折减系数：

(7)

5 结论

依据砖隔墙前爆炸沿坑道传播的冲击波效应试验研究结果结合量纲分析给出了泄漏冲击波效应具体工程算法，包括泄漏冲击波超压峰值工程算法、与无砖隔墙相比的药量等效系数、有无砖隔墙的冲击波超压折减系数等。其中，第1个算法可直接应用于泄漏冲击波的毁伤分析与评估，第2个算法可以用于炸药能量分配规律的计算，而第3个算法则可以直接衡量砖隔墙的抗爆防护作用。

(1)泄漏冲击波超压峰值工程算法、药量等级系数工程算法、砖隔墙抗爆超压折减系数的平均误差分别为14.9%、8.6%和6.7%，说明算法与实测结果相比有较好的一致性。

(2)从药量等效系数的分布(多为0.25～0.70)，可知，砖隔墙的合理设置可以消耗炸药的部分能量；由冲击波超压折减系数分布(多为0.1～0.25)可知，与无砖隔墙相比，合理设置的砖隔墙能够较大幅度折减泄入坑道中的冲击波强度，表现出一定的抗爆防护作用。

(3)由于条件和研究周期所限，本文仅针对一种砖隔墙进行了试验，实际上泄漏冲击波强度不仅与装药参数和坑道参数相关，而且与砖隔墙类型和参数相关，可以预计其他强度更高的防爆墙其抗爆防护作用更强。研究结果为开展其他防爆墙的抗爆作用分析和泄漏冲击波强度计算提供理论依据。