40 kg TNT当量爆炸塔的振动监测及分析*

胡八一，肖智强，谷 岩，刘 宇，冯东升，刘 军

(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999)

由于爆炸塔的内部空间尺寸以及人员和设备的进出通道可以比爆炸容器设计建造得更大，且施工现场不需要整体去应力等退火设备，因此在很多爆炸生产和实验研究领域发挥着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，其内部爆炸产生的冲击振动仍然是安全管理需要重视的问题，比如：美国海军表面武器中心在建成22.5 kg TNT当量的爆炸塔时，就较全面地监测了爆轰产物和地面振动等实验参数[2]；21世纪初美国劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)在设计60 kg高能炸药爆炸塔[3]时，为确保安全，先按1∶4缩比模型建造了一个验证塔，并进行了全方位的爆炸加载考核验证实验[4]。中国目前建造的爆炸塔的设计当量一般在1～5 kg TNT，各研究单位积累了数十年安全运行经验。对于中国工程物理研究院流体物理研究所新建成的40 kg TNT当量爆炸塔，其运行时地面振动能否满足GB 6722─2014(爆破安全规程)的相关要求，实验时塔体内部的附属功能设备能否正常运转等诸多问题都需要进行考核验证。本文中简要介绍了塔体的设计情况和考核验收实验，重点关注爆炸加载时爆炸塔周边实验室地面的振动参数，并与相关监测数据进行对比分析，以期对未来中国相关工程设计提供借鉴和参考。

1 塔体设计及实验安排

1.1 塔体及炸药

如图1所示，塔体采用圆柱段加椭球封头结构，其内径为16 m，圆柱段高9 m。距外壁0.5 m处设计了一条基于1∶8缩比塔研究结果[5]的隔振沟，沟深6.0 m，宽度为0.8 m。塔体四周为抗震实验室，层高5.1 m，按抗9度地震烈度设计。塔体自身采用钢纤维钢筋混凝土结构，实验室地面为普通承重混凝土。

炸药为压装TNT药球，密度不低于1.63 g/cm3，中心起爆。将药球置于塔内中心点，当药球质量为15、20、25和40 kg时，其炸高分别为1.2、1.2、1.5和3.0 m。这样安排的目的在于减轻炸药近距离爆炸对塔内地表的破坏作用[6]，同时适当降低周边实验室地面的冲击振动幅值。

1.2 传感器及其布局

采用TP3V-10型三向磁电式速度传感器(灵敏度为0.21～0.25 V/(cm·s-1))，布设在如图1所示的测点上，由1.5 m长导线引入拾振器(型号为UBOX-20016，4通道，A/D转换精度16 bit，最高采样率达200 kHz，记录长度为8 GB)内，通过预先触发设置实现现场等待式监测。

15和20 kg TNT爆炸加载时，在图1所示的3个不同高度处布设速度传感器；25和40 kg TNT爆炸加载时，只监测实验室地面和屋顶的振动数据。实验室地面和屋顶的传感器间距为10 m，其中A1、B1处传感器在水平方向上距隔振沟外沿约1.2 m；塔顶传感器的间距为4 m，在水平切向(y方向)布设少量与水平径向(x方向)相对应的复测点(图1未标识)，以增加随机振动信号的对比观测。

2 监测结果与分析

2.1 实验室不同区域的振动特征

由表1数据可见：(1) 对于3个方向的质点振动速度峰值，地面上z向质点振动速度峰值一般大于水平向(x、y向)，而屋顶上z向质点振动速度峰值远远大于水平向，几乎是水平向的6～7倍，表现出建筑物在地震波作用下振动的竖向放大效应，爆破工程中对附近多层建筑物的安全监测结果[7-8]也表明存在这种效应；(2) 对于爆炸塔自身而言，其中心顶点(C1)的z向振动速度最大，中间位置(C2)的z向振动速度约为中心顶点的1/2，塔体边沿(C3)约为中间位置的1/2，水平向也存在类似规律。

表1 不同区域振动速度峰值比较Table 1 Comparison of vibration velocity peaks in different zones

表2给出了在4种当量炸药爆炸加载下水平径向(x向)不同测点的振动速度峰值。从表2中可见：(1) 距爆心最近的A1测点(隔振沟外侧边沿)，其水平径向(x向)质点振动速度峰值往往大于该点的竖向(z向)振动速度峰值，但稍微远离隔振沟边沿后该现象随即消失，即依然是竖向振动速度峰值大于水平径向；(2) TNT当量从15 kg递增到40 kg时，最大峰值振速为3.67 cm/s，并且随着爆心距离的增加，地面振动速度迅速衰减。对照GB 6722─2014：当振动频率在10～50 Hz范围时，钢筋混凝土结构建筑允许的安全振速为3.5～4.5 cm/s；当振动频率在50～100 Hz范围时，该安全振速提高到4.2～5.0 cm/s。因此可以认为，爆炸塔周边实验室的建筑结构在爆炸塔全当量运行时是安全的，达到了国家标准的相关要求。

表2 不同测点的振动速度峰值Table 2 Comparison of vibration velocity peaks at different measure points

2.2 速度波形的频率及能量特征

图2显示了地面振动的典型速度波形以及经快速傅里叶变换(fast Fourier transformation， FFT)所得功率谱密度及特征主振频率，其中vmax为最大振速，fm为主振频率，ttot为振动持续时间。综合本实验中所得速度波形特征，可以得到以下几点认识：(1) 地面振动持续时间一般在5～10 s，与现场人体的体感一致，明显比小药量缩比塔实验的振动时间长得多[5]，且对人体的摇晃更强烈；(2) 振动频率主要在15～150 Hz范围，与缩比塔实验结果相比，高频成分更少，即振动频率整体向低频方向偏移。竖向(z向)的振动频率相比水平向而言，向低频方向的移动更明显和集中，即由缩比实验的100～800 Hz平移至15～60 Hz。

由于爆炸振动信号属于典型的非平稳随机信号，因此采用小波包分析技术[9-10]比传统的FFT分析更有效，更重要的是它可以给出不同频带的振动能量分布信息[11]。本实验中设置采样频率为5 kHz，故其Nyquist频率为2.5 kHz，运用db8进行小波包分解，可将信号分解到第9层，即共有29=512个小波包，对应的最低频带为0～9.8 Hz，最高频带为1.25～2.50 kHz。表3列出了25 kg TNT爆炸加载时实验室地面和屋顶6个测点z方向的振动信号能量分布及总能量E，其中φE为振动信号在不同频带上的能量占总能量的比例，f为频率。

表3 竖向振动信号的能量分布Table 3 Energy distribution of the vibration signal in z direction

表4给出了实验室地面A2点在两种炸药爆炸加载下沿x、y、z3个方向振动信号的频带能量分布和总能量E的比较。综合表3和表4数据，可以看到：(1) 无论地面还是屋顶，竖向(z向)振动能量主要集中在10～40 Hz，占全部能量的77%～99%，因此要衰减或隔离这种几十千克TNT当量爆炸产生的冲击振动，目标应瞄准10～150 Hz范围，重点在10～40 Hz频段；(2) 竖向(z向)携带的能量最大，是水平径向(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离竖向振动是爆炸冲击隔振需要重点关注的问题；(3) 同文献[10]中数吨级硝铵炸药爆破产生的冲击振动相比，几十千克TNT当量炸药爆炸产生的地震波在0～10 Hz和150 Hz以上频段所携带能量很少，而大爆破在0～10 Hz频段仍包含10%～47%的能量，这是二者最显著的差别；在文献[9]中几十千克硝铵炸药的延时爆破作业中，所监测到的振动主频在20～100 Hz范围，振动持续时间也在5～10 s范围，各测点的80%能量对应的频谱范围也不超过10～125 Hz，与本实验结果具有极好的一致性。

表4 两种载荷下A2点的振动信号能量分布Table 4 Energy distribution of the vibration signal at A2 point under two loads

3 讨 论

为进行对比研究，在中国工程物理研究院流体物理研究所的5 kg爆炸塔进行了一发4.04 kg TNT当量地面振动速度监测实验。该塔周边有一条1 m深隔振沟。炸药中心距塔内地面高0.9 m，同型号速度传感器布置在5 kg爆炸塔外壁2、8、15 m处，地面三向振动速度峰值见表5。对比表2和表5数据，可以看到：距离爆炸塔外壁越近，振动越剧烈，且40 kg爆炸塔在x、y、z3个方向上的振动峰值均远超过5 kg爆炸塔；对于40 kg爆炸塔，当距离爆心较远(大于20 m)时，地面振动很快降到比5 kg爆炸塔15 m处的振动还要小的程度。

表5 5 kg爆炸塔地面振动速度峰值测量结果Table 5 Vibration velocity peak of the ground neigboring the 5 kg TNT equivalent blast containment chamber

文献[5]中监测到的地面振动时间很短，在0.1～0.2 s之间(药量0.3～2.3 kg TNT)，而本实验中为5～10 s，由此可见地面振动持续时间与药量正相关，即药量越大，振动持续时间越长。同时也揭示出6 m深隔振沟并未起到文献[5]中所预期的隔振效果，或者说隔振效果很差。原因何在？从表4中的数据可见，80%～90%的振动能量集中在10～80 Hz范围，其中竖向振动能量的80%～95%集中在10～40 Hz范围；而文献[5]中的计算所采用的瑞利波频率为200 Hz，明显偏大约一个数量级，即实际瑞利波波长λR应为28.5 m左右，若再依据朱振海等[12]的动光弹研究结果，3λR深的隔振沟才能基本隔离冲击形成的表面波，从而充分解释了为何国内众多爆炸塔隔振效果不佳的缘由。这也说明在近距离实验室条件下，期望依靠隔振沟有效衰减几十千克炸药爆炸产生的冲击振动，在实际工程中既难实现，也不经济。

因此，今后要设计高于5 kg TNT当量的爆炸塔时，可采用隔振支座的整体隔振方式[13-14]。日本高铁沿线建筑物采用隔振基座后，对火车高速运动产生的25 Hz冲击振动的隔振效果很好[15]。此外，在使用10和25 kg爆炸容器系统时未监测到明显的地面冲击振动[16-17]，其原因在于爆炸容器通过鞍座放置在地面上，支撑鞍座的支架在一定程度上起到了减震器的作用，所以当爆炸容器运行时，传到地面的振动幅值仅为鞍座上的1/20～1/5。

4 结 论

(1) 在本实验条件下，40 kg爆炸塔旁侧实验室地面的最大质点振动速度峰值小于5 cm/s，质点振动频率尤其是竖向振动频率大于10 Hz，满足GB 6722─2014(爆破安全规程)的安全允许振动要求。

(2) 与1∶8缩比塔及5 kg爆炸塔实验结果相比，40 kg爆炸塔激发的地面冲击振动时间更长，达5～10 s，人体的主观感受更强烈。说明早期基于缩比塔实验结果确定的瑞利波波长(λR=2.85 m)随着药量的增大而变化。本实验监测到的竖向振动频率集中在10～40 Hz范围，缩比塔在200～500 Hz范围，故瑞利波波长实际增大了约10倍。

(3) 小波包分析很适合于这类冲击振动信号分析，分析表明：竖向振动(z向)所携带的能量是同一点水平向(x、y向)振动所携带能量之和的2.5～4.0倍；质点振动信号中超过95%的能量处于10～160 Hz频段，其中在10～80 Hz范围包含至少75%以上的能量，而竖向振动信号中超过90%的能量集中在10～40 Hz频段；爆炸产生的冲击振动有竖向放大效应，即屋顶的质点振动峰值是地面的2～3倍，振动所携带的能量则是地面的几十倍，故不建议在屋顶放置其他实验测试设备。

(4) 传统的隔振沟技术在小药量爆炸时是勉强可行的；随着药量的增大(超过5 kg TNT)，建议采用独立地基加减振支座的隔振设计，目前中国建筑界在该领域的设计和施工能力[18]已基本成熟可靠。

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