CN109208993A - 一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，包括抗爆室主体，所述抗爆室主体的一端设置钢筋混凝土端板，所述钢筋混凝土端板通过预埋螺栓与抗爆室主体相连，且钢筋混凝土端板上设置出入口且在出入口上设有可活动的钢质防护门；所述抗爆室主体包括由钢筋混凝土浇筑形成的内层和外层，及位于内层和外层之间的吸能层，其中吸能层内设置吸能材料。本发明通过多层复合结构，在内部爆炸作用下，既能承受一定冲击波荷载和破片侵彻，又能削弱、减少震动能量的往外传播，达到高抗力、高密闭可靠性的效果。并且，具有优良的抗内爆性能，可用于大当量的爆炸试验设施。

Description

一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室

技术领域

本发明属于土木工程建筑结构技术领域，涉及一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室。

背景技术

抗爆室是用来进行各种约束爆炸作用的特殊密闭结构，要求在长期使用条件下不破坏，既封闭又能迅速排出由炸药爆炸产生的有害气体。随着人们对环境保护的日益重视以及爆炸加工技术的发展，以往人们在户外场地进行的各种爆炸作业被要求改在抗爆设施内完成，尤其是爆炸当量超过一定数量之后。抗爆室的应用，不但大幅降低了大当量爆炸的危险性，而且减小了环境污染，提高了工业生产能力。

爆炸约束技术在国防工程防精确打击、爆炸试验研究、燃烧试验设施、炸药火工品储存及运输设备、防恐怖组织室内恐怖爆炸袭击、爆炸危险品销毁装置、容器锅炉与管道工程、核反应堆工程、爆炸加工设备与技术等领域得到广泛应用。约束爆炸主要在密封容器和密闭抗爆室内进行的，密封容器一般采用金属容器，已广泛运用于各国的工业、国防及科研领域中，其设计加工也相对简单成熟。但是，随着爆炸当量的增大，金属容器直径、壁厚和质量的增加很大，制造、检验、运输和现场实施等方面在技术上和工艺上均将遇到难以克服的困难，甚至在某些特定技术或使用条件限制下是难以实现的，同时金属爆炸容器在应用过程会产生很大的爆炸噪音，影响周围环境，限制了其应用。要提高密闭容器或结构的抗爆能力，最直接途径是加大内部空间尺寸和采用高强度的材料，钢筋混凝土抗爆室可以现场浇筑，显著加大爆室内部空间尺寸，不存在运输的限制，可有效提高爆室的抗爆能力，同时抑制爆炸过程产生的噪声。国外仅美国就采用钢筋混凝土建造了几十个爆炸塔，其工作当量为几十克到上百公斤TNT^[1，2]。国内方面，中科院力学所在上世纪70年代末建造了1kg TNT当量的钢筋混凝土爆炸塔。上世纪80年代中期中国工程物理研究院流体物理研究所设计建造了5kg TNT当量的钢筋混凝土圆柱形爆炸塔。

为提高密闭结构的抗爆能力，山东科技大学和西北核技术研究所进行过混凝土加强钢筒提高抗爆性能的试验^[3]。在空间不变，混凝土强度受到限制的条件下，更有效的方法是采用多层复合结构，充分发挥材料性能特点。发明专利“复合材料抗爆容器”CN106956847 A，提出了了一种在金属抗爆容器外包覆纤维层的抗爆容器，提升了容器主体的抗爆性。发明专利“一种抗爆容器隔音结构及其设计方法”CN 108253858 A，提供了一种在金属抗爆容器外复合泡沫铝层、石棉层和外包络层的隔音抗爆容器，可以降低抗爆容器在爆炸过程中产生的噪声，有效保护周围环境。可见，多层复合结构是高抗力大当量抗爆室发展的一个趋势。其基本原理就是应力波在波阻抗不同的介质交界面上会产生反射和透射现象。根据相邻介质波阻抗的匹配情况，应力波的峰值大小会发生改变，其波形也将产生弥散，从而可以达到削减冲击波强度，提高结构抗力。

目前，在爆炸冲击荷载作用下传统的单层钢筋混凝土结构的抗爆室抗力低、易产生裂缝、结构密闭性及安全性差，面对大量爆炸试验向外传输的震动和能量越来越大，导致其无法适应各类爆炸规模，无法有效降低爆炸地震波输出，降低抗爆性能。

发明内容

发明所要解决的课题是，解决现有的单层钢筋混凝土结构的抗爆室抗力低、易产生裂缝、结构密闭性及安全性差，无法有效降低爆炸地震波输出以降低抗爆性能的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，在内部爆炸作用下，既能承受一定冲击波荷载和破片侵彻，又能削弱、减少震动能量的往外传播，达到高抗力、高密封可靠性的效果。

本发明提出的一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，包括抗爆室主体，所述抗爆室主体的一端设置钢筋混凝土端板，所述钢筋混凝土端板通过预埋螺栓与抗爆室主体相连，且钢筋混凝土端板上设置出入口且在出入口上可活动地设有钢质防护门；所述抗爆室主体包括由钢筋混凝土浇筑形成的内层和外层，及位于内层和外层之间的吸能层，其中吸能层内设置吸能材料。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述抗爆室主体采用圆柱形结构。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述钢质防护门的外壁上设置锁紧机构。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述吸能材料采用弹塑性材料。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述弹塑性材料为泡沫混凝土或泡沫塑料或泡沫金属。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述吸能材料采用具备压缩吸能性能的材料。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述具备压缩吸能性能的材料为密实砂土或膨胀粘土。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述内层和外层、钢筋混凝土端板均为双层配筋。

发明效果为：

本发明利用爆炸冲击波在波阻抗不同的介质交界面上产生反射和透射，应力波峰值大小改变，波形产生弥散的特性，提出可消波吸能的抗爆室，结构主体采用多层复合结构和吸能材料组成，内层和外层采用钢筋混凝土或者钢纤维钢筋混凝土，钢筋混凝土是工程中最常用的材料，造价低，可塑性好，抗压强度高，但抗剪、抗拉强度低；中间的吸能层材料分为两类：一类是有一定压缩吸能特性的材料，如砂土、膨胀粘土、炉渣及煤灰等；另一类是具有明显屈服点且有较大变形能力的弹塑性材料，如泡沫混凝土、泡沫塑料、泡沫金属等。可根据使用功能及空间要求，设计成大体积空间结构。

本发明的多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，在内部爆炸作用下，既能承受一定冲击波荷载和破片侵彻，又能削弱、减少震动能量的往外传播，达到高抗力、高密封可靠性的效果。并且，具有优良的抗内爆性能，设计良好的复合抗爆结构比相同厚度的单层钢筋混凝土结构抗力提高约1.4(砂土)～2.3(泡沫混凝土)倍，且在内层达到变形极限破坏后结构外层仍保持弹性状态，密闭性好，安全性高，加工简便、造价低；以及，能够有效抵御、削减内部爆炸冲击波向外传播，防止爆炸产物泄露，综合运用“吸能、阻裂、限变形、传能量、荷载重分布”等多种约束爆炸技术，达到结构密闭、抗爆、抗破片侵彻的防护效果，具有取材方便、制造简单、性能稳定、有较高的比强度、造价低、施工便捷等特点，可在大当量的爆炸试验设施，在爆炸、燃烧试验研究，火工品储存，爆炸危险品销毁，容器锅炉与管道工程，爆炸加工等抑爆设施领域亦有很高的应用和推广价值。

附图说明

图1为本发明多层钢筋混凝土复合结构抗爆室的原理示意图。

图2为本发明多层钢筋混凝土复合结构抗爆室的剖面图。

图3为本发明中钢质防护门的结构示意图。

其中标号解释：1-内层，2-吸能层，3-外层，4-钢筋混凝土端板，5-预埋螺栓，6-出入口，7-钢质防护门。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1和2所示，本发明设计了一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，包括抗爆室主体，所述抗爆室主体的一端设置钢筋混凝土端板4，所述钢筋混凝土端板4通过预埋螺栓5与抗爆室主体相连，且钢筋混凝土端板4上设置出入口6且在出入口6上可活动地设有钢质防护门；所述抗爆室主体包括由钢筋混凝土浇筑形成的内层1和外层3，及位于内层1和外层3之间的吸能层2，其中吸能层2内设置吸能材料。

本实施例中，为分析多层抗爆结构在内爆炸荷载下的动力响应，制作了几何尺寸完全相同的两个试验模型，模型采用内层1、吸能层2、外层3三层结构形式。模型中抗爆室主体可为圆柱形结构，为制作和试验方便，一端半圆形端头改成圆形钢筋混凝土端板4组成，圆柱形结构内半径0.5m，外半径1m，内部净长5m，主体部分分为三层，内层1和外层3均为0.175m厚钢筋混凝土结构，中间0.15m吸能层2内填充吸能材料。

所述模型一端为0.6m厚钢筋混凝土端板4，通过多个预埋螺栓5与抗爆室主体部分相连。为方便人员进出在结构内部安放测试设备和炸药，在试验模型的钢筋混凝土端板上开有宽0.4m×高0.6m的出入口6，在出入口可活动的设置有钢质防护门7，其结构如图3所示，可通过翻转活动方式，或角钢固定一端方式，本发明不对其限定。并且，在进行试验时可以在外壁设置锁紧机构以模拟密闭爆炸空间并减少对外界环境的干扰。

所述模型的内层1和外层3可采用钢筋混凝土或者钢纤维钢筋混凝土，由钢筋混凝土是工程中常用的材料，造价低，可塑性好，抗压强度高。所述吸能材料分为两类：一类选择是没有明显屈服点但有一定压缩吸能性能的材料，如密实砂土、膨胀粘土、炉渣及煤灰等；另一类是具有明显屈服点且有较大变形能力的弹塑性材料，如泡沫混凝土、泡沫塑料、泡沫金属等。可根据使用功能及空间要求，设计成大体积空间结构。

以及，本实施例的试验模型主体和端板均采用C40混凝土浇筑，主体部分的内层、外层及钢筋混凝土端板均为双层配筋。环向和轴向配筋均为Φ14钢筋，间隔200mm。

本实施例中，所述吸能材料可选用工程中常用的两种吸能材料泡沫混凝土和密实砂土分别填充在两个模型的中间吸能层中，以两个试验模型1和2中分别填充泡沫混凝土和砂土两种吸能材料为例，其性能参数分别如表1、表2所示。

表1 模型1吸能层泡沫混凝土材料参数

表2 模型2吸能层砂土材料参数

每个试验模型进行5次小当量内爆炸试验，试验装药采用制式TNT装药，药量分别为0.15kg、0.2kg、0.3kg、0.475kg、0.8kg，并测得了各次试验时结构内壁面反射压力、结构应变及多层复合结构各层之间接触压力等试验数据，主要结论如下：

①抗爆室结构内壁面各点爆炸冲击波超压峰值和比冲量均随装药量的增加而增大，在不同药量时抗爆室结构圆筒部分内壁面爆炸荷载均为爆心截面超压峰值和比冲量最大。抗爆室内层内壁面爆炸荷载超压峰值和比冲量随离爆心截面距离的增加而迅速衰减；在钢筋混凝土端板中心位置，反射超压峰值和比冲量均有极大增长。

②相同药量时，同一位置应变测点环向应变峰值均大于轴向应变峰值，多层复合结构内层钢筋混凝土环向和轴向应变峰值均比结构外层钢筋混凝土大的多。在0.15kgTNT装药时，模型1和模型2各环向应变测点和轴向应变测点的峰值均非常接近；随着装药量的增大，模型1的抗爆室结构内层钢筋混凝土环向和轴向应变峰值均比模型2大，抗爆室结构外层钢筋混凝土环向和轴向应变峰值均比模型2小。

③不同内爆炸药量时多层复合结构各层之间接触压力均为爆心截面峰值最大；离爆心距离越远，接触压力峰值越小，并且装药量增大时接触压力峰值变化的幅度也随之减小。模型1和模型2在各截面内层钢筋混凝土结构与吸能层之间接触压力峰值均大于吸能层与外层钢筋混凝土结构之间接触压力峰值；相同药量内爆炸时，模型1吸能层与结构外层接触压力的峰值均比模型2要小，表明在多层复合结构中泡沫混凝土比密实砂土具备更优越的消波吸能性能。

为试验方便和试验安全考虑，多层复合钢筋混凝土抗爆室仅进行了两个模型小药量的实验，为比较分析多层复合结构在内爆炸荷载下的力学特征，建立了与多层复合结构相同尺寸的单层钢筋混凝土结构数值计算模型3，计算其动力响应，并与多层复合结构试验模型1和2相同的计算模型4和模型5结果的进行比较，主要结论如下：

①吸能材料通过在与其它介质接触面上应力波的透、反射和材料的变形吸能实现对应力波传播和荷载传递的衰减，可以有效衰减作用到多层复合结构外层的荷载，显著降低结构外层混凝土的环向拉应力峰值。对于有明显屈服点的泡沫混凝土吸能材料，当吸能材料进入屈服状态后，随着内爆炸药量的增大，吸能层与结构内、外层接触压力峰值变化很小，但接触压力作用时间延长，沿结构轴向更大范围吸能层与结构内、外层接触压力峰值达到吸能材料屈服强度，多层复合结构中泡沫混凝土吸能层具有很好的荷载重分布能力。对于没有明显屈服点的密实砂土吸能材料，其与多层复合结构内外层接触压力峰值均随内爆炸药量增大而不断增大，在内爆炸药量较大时，密实砂土吸能层与多层复合结构外层的接触压力峰值比泡沫混凝土吸能层大的多，并且沿结构轴向高度集中，随距爆心截面距离增加而迅速衰减，密实砂土吸能层对爆炸荷载的衰减作用和重分布能力均相对泡沫混凝土吸能层差的多。

②与普通单层结构在内爆炸荷载作用下的整体式运动不同，本发明的抗爆室的多层复合结构在爆炸荷载作用下的运动是各层之间相对分离的，结构内层在瞬时爆炸冲量的作用下运动，进而挤压吸能层促使吸能层和结构外层变形和运动，结构外层的运动起始时间相对结构内层和相同厚度单层钢筋混凝土结构外层明显延长，结构外层径向位移峰值比结构内层小的多。

③吸能层能有效改善结构的能量分布。本发明采用泡沫混凝土吸能层或砂土吸能层均促使能量向多层复合结构内层和吸能层集中，降低传递到结构外层的能量。在3.0kgTNT装药时含泡沫混凝土吸能层的多层复合抗爆室结构和含砂土吸能层的多层复合抗爆室结构外层钢筋混凝土层能量仅分别为单层钢筋混凝土结构外层能量的8.77％和9.65％。

④内爆冲击荷载作用下多层复合钢筋混凝土密闭结构破坏模式是抗爆室结构内层在内爆炸荷载作用下达到变形极限而破坏，抗爆室的结构外层在内爆炸荷载作用下保持弹性。最终，所述模型4、5、3的极限药量分别是5kg、3kg、2.1kg TNT。

综上，本发明的多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，通过多层复合结构，在内部爆炸作用下，既能承受一定冲击波荷载和破片侵彻，又能削弱、减少震动能量的往外传播，达到高抗力、高密封可靠性的效果。并且，具有优良的抗内爆性能，可在大当量的爆炸试验设施，在爆炸、燃烧试验研究，火工品储存，爆炸危险品销毁，容器锅炉与管道工程，爆炸加工等抑爆设施领域亦有很高的应用和推广价值。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，包括抗爆室主体，其特征在于，所述抗爆室主体的一端设置钢筋混凝土端板，所述钢筋混凝土端板通过预埋螺栓与抗爆室主体相连，且钢筋混凝土端板上设置出入口且在出入口上设有可活动的钢质防护门；所述抗爆室主体包括由钢筋混凝土浇筑形成的内层和外层，及位于内层和外层之间的吸能层，其中吸能层内设置吸能材料。

2.根据权利要求1所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述抗爆室主体采用圆柱形结构。

3.根据权利要求1所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述钢质防护门的外壁上设置锁紧机构。

4.根据权利要求1所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述吸能材料采用弹塑性材料。

5.根据权利要求4所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述弹塑性材料为泡沫混凝土或泡沫塑料或泡沫金属。

6.根据权利要求1所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述吸能材料采用具备压缩吸能性能的材料。

7.根据权利要求6所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述具备压缩吸能性能的材料为密实砂土或膨胀粘土。

8.根据权利要求1所述多层钢筋混凝土复合结构抗爆室，其特征在于，所述内层和外层、钢筋混凝土端板均为双层配筋。