新型栅栏式防爆墙研究现状及理论分析

祁兵，孙世梅，蒋海峰，金佩剑，隋鹏飞

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

一、栅栏式防爆墙研究现状

目前栅栏式防爆墙的研究主要在材料的吸能能力和削弱爆炸冲击波的能量两个方面。好的材料可快速传递热量吸收能量并阻止火焰传播，从而防止爆炸事故。Davidson等[1-2]通过对爆炸荷载作用下纤维增强聚合物（FRP）加固砌体墙结构的实验，揭示使用喷涂聚合物可以提高无筋混凝土砌体墙的抗爆性能。而材料的结构对阻止火焰传播[3-4]有重要影响，材料孔隙越大，火焰传播速度越快，反之越慢。防爆材料的比表面积大，可以使吸收的热量迅速消散，降低能量[5]。Be Gelfand等人通过冲击波在多孔介质中传播的研究表明，固体材料的骨架结构与冲击波在气流方向上的传播速度显著相关[6]。

很多学者通过有限元分析软件建立仿真模型对防爆墙的性能进行数值模拟。Ennis S T等人[7]开发了一种精细化模型用来模拟砌体防爆墙在爆炸荷载作用下的响应，研究发现高估了无筋砖防爆墙的静荷载承载力。Eamon C D等[8]修正了上述精细化模型，证实修改后的精细化数值模型能够很好地预测砌体防爆墙的响应和破坏情况。Wei和Hao[9]开发了砌体防爆墙的匀质动态材料模型，通过该模型对砌体防爆墙的爆炸荷载作用响应分析，发现该模型可以节省大量计算机内存和计算时间。Shi等[10]进行了大当量爆炸荷载作用下无筋砌体墙碎片特征分析，明确了碎片的尺寸分布服从威布尔分布的关系。也有不少学者研究防爆墙形状对削弱冲击波能量的影响，Takayama等[11]发现半球形实体比圆柱形实体对爆炸波的减弱效果更好。Kojiro等[12]通过激波管试验研究了圆棒阵列对激波衰减的影响得出结论：随着圆棒陈列层数的增加，静压力会降低。Chaudhuri等[13]进行了爆炸波传播经过不同排布和不同截面的实体障碍物的数值模拟研究，他们发现在所有进行的情况中，交错排列的反向三角形障碍对冲击波的衰减是最有效的。

二、栅栏式防爆墙理论分析

（一）栅栏式防爆墙简介

发生化工爆炸后造成的破坏作用主要有四个方面：震荡作用、冲击波作用、碎片冲击造成二次破坏作用和热辐射作用。其中，最危险、破坏力最强的就是冲击波作用。栅栏式防爆墙与传统防爆墙吸收爆炸能量的方式不同。栅栏式防爆墙柱体构件采用“强—弱—强”吸能防护理论，外部壳体采用刚性防护材料、内部填充物采用塑性吸能材料，采用这种吸能防护理论进行设计，不仅能增加柱体的整体强度，也能降低墙体破坏后碎片产生的二次破坏。栅栏式防爆墙是用“强—弱—强”吸能防护理论设计的柱体构件与冲击波的传播、干涉衍射理论相结合，通过合理优化的布置，达到最佳防爆吸能效果的防爆墙。栅栏式防爆墙利用柱体自身的性能及相邻柱间的干涉衍射作用，可以节省大量材料和建设成本，也降低了墙体本身造成二次破坏。栅栏式防爆墙整体设计如下图1所示。

图1 栅栏式防爆墙总体设计图

（二）理论分析

在一定的爆炸冲击波作用下，对“强—弱—强”复合结构与“强—强—强”复合结构的抗爆机理进行分析[3]。因为不同材料自身物理特性的不同，爆炸产生的冲击波在不同的介质材料中传播时，导致冲击波会在经过两层不同物理特性的介质材料的分界面时产生一定的投射波以及反射波[5]，由分界面的连续条件可知，不同介质材料在分界面处的压力、质点速度相等，当界面两侧介质由于其波阻抗物理特性不同时，产生的透射波和反射波的强度分别为：

式中：σT为透射波强度；

σR为反射波强度；

σ1为第一层材料入射波强度；

ρ1为第一层材料密度；

C1为第一层材料弹性波速；

ρ2为第二层材料密度；

C2为第二层材料弹性波速；

PC为材料的波阻抗。

透射波系数T：

反射波系数R：

由式（2-3）、（2-4）可得出：当第一层材料的波阻抗小于第二层材料的波阻抗时，即反射波系数大于0。透射波系数大于1，可知透射波应力幅值强于入射波。波阻抗低的介质传入波阻抗高的介质；当第二层材料的波阻抗小于第一层材料的波阻抗时，反射波系数小于0。透射波系数小于1，可知透射波应力幅值弱于入射波。波阻抗高的介质传入波阻抗低的介质，波阻抗低的介质可以起到减震缓冲的作用[6]。

根据以上的原理，对钢—泡沫铝—钢波阻抗低的复合构件与钢—混凝土—钢波阻抗高的复合构件（见图2）进行抗爆减震效果对比分析。在复合构件中，材料所需参数如下表1所示。

图2 应力波传播示意图

表1 材料参数

假设冲击波在钢板中产生应力波峰值ρT1为，进入夹心的应力波峰值ρT2为：

接着，应力波从夹芯材料进入后钢板，其反射波应力波峰值σT3为：

应力波在钢—混凝土—钢复合构件中传播时的衰减程度的计算方法同上，

σT3=0.62σT1

当采用泡沫铝为夹芯材料时，应力波在钢—泡沫铝—钢复合结构传播时，其应力波峰值应力衰减为原来的0.056倍；当采用混凝土夹芯材料时，其应力波峰值应力衰减为原来的0.62倍，就应力衰减效果而言，两者间相差11倍。两种夹芯材料进行对比，混凝土强度高，但其塑性应变没有泡沫铝高，抗爆能力强；泡沫铝强度不高，但其塑性应变高，吸能效果好。对于复合构件而言，泡沫铝比混凝土具有更好的抗爆吸能效果。所以，复合构件的内夹芯层应选用塑性吸能材料进行填充，而非刚性材料。

三、结束语

随着世界经济飞速发展，防爆墙被广泛应用于军事和民用领域。相比传统防爆墙，新型栅栏式防爆墙建造成本低，吸能效果好。综合上述两种复合构件进行抗爆减震效果。内芯夹层泡沫铝与混凝土相比，强度不高，但其塑性应变高，吸能效果好。内芯夹层运用塑性吸能材料取得的效果较好。利用吸能防护理论与冲击波的传播、干涉衍射理论相结合为后续防爆墙设计提供参考。