CN110008603B - 一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法 - Google Patents

一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，所述的坑道两端开口，一端开口上方设有防护结构，包括以下步骤：步骤S1、进行N次空爆试验；步骤S2、进行M次结构中爆炸试验，M＞N；步骤S3、设定超压折减系数为η，在相同装药量条件下，对于空爆试验和结构中爆炸试验在同一位置测定的ΔP0、ΔP1，则有
Figure DDA0002022743170000011
步骤S4、根据N次空爆试验和M次结构中爆炸试验的系列试验数据，拟合得到超压折减系数的具体表达式。本发明所提出的一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，该系数可直接体现坑道口部结构对结构中爆炸时泄入坑道中的空气冲击波的折减效果，可对结构的抗爆防护作用进行直观评价。

Description

一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计 算方法
技术领域
本发明涉及空气冲击波荷载的工程算法，具体是一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法。
背景技术
为了抵御常规钻地武器的毁伤，通常构筑坑道工程保护重要的物资和设备。随着命中精度和侵彻能力的提高，钻地武器极有可能直接命中坑道工程口部正上方结构并侵入结构中爆炸，该结构是坑道工程的重要防护屏障，它的抗爆功能对保护坑道内部结构、人员、设备的安全起着至关重要的作用。
根据来袭钻地武器的侵彻能力、爆炸威力以及坑道工程抗力等级的不同，可将坑道工程的毁伤大致分为3种典型模式，模式一：结构不被穿透且不被炸穿，未形成坑道内冲击波传播；模式二：结构不被穿透但被炸穿，形成坑道内冲击波传播；模式三：结构被穿透，形成坑道内爆炸。上述3种毁伤模式中，模式一炸药能量大部分用于毁伤结构、产生地冲击、地震动并给结构造成一定程度毁伤，但传入结构内部的冲击波可以忽略；模式二炸药能量部分用于毁伤结构并给结构造成一定程度毁伤，另一部分转化为冲击波并传入结构内部；模式三为结构内爆炸，炸药能量绝大部分转化形成冲击波。对于模式一和三的研究，目前相对系统和成熟，而对于模式二的研究主要集中于结构的震塌破坏研究，但对结构毁伤后的泄漏空气冲击波的研究极为有限。
对于模式二，如果爆炸造成炸点至结构下表面一定范围内的结构材料严重破坏并完全剥离，形成爆轰产物传播通道，则有爆轰产物连同破碎的结构碎片通过通道涌入坑道并形成坑道内部冲击波传播，造成坑道内部的结构、人员、设备的毁伤，所以炸药能量一部分用于毁伤结构，另一部分形成坑道中泄漏冲击波。目前，对于模式二的研究中，关于坑道口部结构对泄入坑道中的空气冲击波的影响尚无具体的评估方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，该系数可直接体现坑道口部结构对结构中爆炸时泄入坑道中的空气冲击波的折减效果，可对结构的抗爆防护作用进行直观评价。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，所述的坑道两端开口，一端的开口上方设有防护结构，包括以下步骤：
步骤S1、进行N次空爆试验，空爆试验采用TNT集团装药，去除防护结构，在坑道顶壁口部外边缘几何中心起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP0，通过N组不同药量的试验得到一系列试验数据；
步骤S2、进行M次结构中爆炸试验，M＞N，将防护结构覆盖在坑道入口上方，采用TNT集团装药，在防护结构的内部起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP1，通过M组不同爆炸点不同药量的试验得到一系列试验数据；
步骤S3、设定超压折减系数为η，在相同装药量条件下，对于空爆试验和结构中爆炸试验在同一位置测定的ΔP0、ΔP1，则有
Figure BDA0002022743150000031
其中，超压折减系数η与试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc有关，由量纲分析得：
Figure BDA0002022743150000032
步骤S4、根据N次空爆试验和M次结构中爆炸试验的系列试验数据，将试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc的具体数值代入公式(1)中，拟合得到超压折减系数的具体表达式为：
Figure BDA0002022743150000033
其中，e为自然对数的底数。
所述公式(2)中，0＜ρ≤2，
Figure BDA0002022743150000034
≤0.919，20MPa≤σc≤80MPa，
Figure BDA0002022743150000035
本发明的原理：本发明依据结构中爆炸泄入坑道中冲击波传播试验实测结果并结合量纲分析，得到了超压折减系数的计算方法，首先选择无量纲主定参量组，再找出待定参量与无量纲主定参量组之间的依赖关系，导出超压折减系数的一般函数关系式，然后，根据爆炸试验数据确定出函数的具体形式，并求出函数关系式中的无量纲常数，从而建立反映实际动力学过程的、便于工程应用的简化参数工程模型。
本发明的有益效果是：本发明所提出的一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，该系数可直接体现坑道口部结构对结构中爆炸时泄入坑道中的空气冲击波的折减效果，可对结构的抗爆防护作用进行直观评价，方法中所提供的公式具有普遍意义，可以推广应用到不同的情况中。
附图说明
图1为本发明所设计的有防护结构的试验装置示意图。
图2为本发明所设计的无防护结构的试验装置示意图。
图中，1、结构试件，2、坑道，3、装药。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，所述的坑道两端开口，一端的开口上方设有防护结构，包括以下步骤：
步骤S1、进行8次空爆试验，空爆试验采用TNT集团装药，去除防护结构，在坑道2顶壁口部外边缘几何中心起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP0，通过8组不同药量的试验得到一系列试验数据；其作用是分析坑道口部上方空爆时冲击波的分布与衰减规律，为研究结构的抗爆防护作用提供比较标准；
如图2所示，实验装置由组合式钢制模型坑道2组成，装药部3位于坑道口部外边缘几何中心；
钢制模型坑道：模型坑道总长21m，由21节可拼装式钢结构单元组成。每节坑道单元长100cm，净截面为60cm×60cm，壁厚2cm。为保持模型坑道在爆炸实验过程中的气密性，坑道单元通过高强螺栓连接，单元与单元之间设有密封圈，坑道两端开口。
试验主要考察了不同装药量、不同埋深、不同钢筋配筋率、不同混凝土基体强度对坑道中冲击波超压的影响，共进行了8次实验。
步骤S2、进行40次结构中爆炸试验，将防护结构覆盖在坑道入口上方，采用TNT集团装药，在防护结构的内部起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP1，通过40组不同爆炸点不同药量的试验得到一系列试验数据；
如图1所示，实验装置由预制的防护结构试件1和组合式钢制模型坑道2组成，装药部3位于结构试件1内。
其中，防护结构试件共设计了三种结构试件，I类试件尺寸1000mm×1000mm×500mm，采用Φ8HPB335钢筋，体积配筋率1％；II类试件尺寸同I类试件，体积配筋率2％，I、II类试件浇筑完毕，方形试件各边缘外扩40cm，试件外边缘采用2mm厚薄钢板进行约束，钢板与原试件之间填充C30素混凝土。增加试件几何尺寸并用钢板进行约束的目的在于增加试件的最大毁伤药量，同时减小试件的边界效应。III类试件为圆柱体，试件直径162cm(钢模壁厚1cm)，高75cm。I、II类试件混凝土标号C20～80不等，III类试件混凝土标号C30，均采用Φ8HPB335钢筋，I类试件水平配筋间距150mm，竖向配筋间距100mm，II类试件水平配筋间距150mm，竖向配筋间距100mm，III类试件内部采用Φ14螺纹钢，钢筋水平间距15cm；共7层钢筋网片，钢筋之间扎丝连接；网片点焊连接于4根架立钢筋；钢筋网片竖向间距12cm。
试验主要考察了不同装药量、不同埋深、不同钢筋配筋率、不同混凝土基体强度对坑道中冲击波超压的影响，共进行了40次实验。
步骤S3、设定超压折减系数为η，在相同装药量条件下，对于空爆试验和结构中爆炸试验在同一位置测定的ΔP0、ΔP1，则有
Figure BDA0002022743150000061
其中，超压折减系数η与试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc有关，由量纲分析得：
Figure BDA0002022743150000062
步骤S4、根据8次空爆试验和40次结构中爆炸试验的系列试验数据，将试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc的具体数值代入公式(1)中，拟合得到超压折减系数的具体表达式为：
Figure BDA0002022743150000063
其中，e为自然对数的底数。
所述公式(2)中，0＜ρ≤2，
Figure BDA0002022743150000071
≤0.919，20MPa≤σc≤80MPa，
Figure BDA0002022743150000072
其为本公式的适用范围。
根据以上步骤，汇总有/无防护结构试件时，相同装药工况条件下的对比试验中，实测冲击波超压峰值及超压折减系数如表1所示：
表1有/无防护结构试件相同装药工况下对比实验实测冲击波超压峰值及超压折减系数
Figure BDA0002022743150000073
表1中同时给出了超压折减系数的拟合公式计算值及其与实测值之间的相对误差。
由表1可知，拟合计算值与实测值之间的平均相对误差为8.6％，拟合结果的相关系数R＝0.970，标准差SD＝0.129。评价拟合结果好坏时，一方面相关系数R要尽量接近1(与试验结果吻合良好，误差须在容许范围内)，小于0.8则失去实用价值；另一方面，相关系数R与标准差SD的值说明本公式具备良好的外延性，即拟合结果有较好的适用范围，而不仅仅局限于试验对应的工况。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (2)

1.一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，所述的坑道两端开口，一端的开口上方设有防护结构，其特征是：包括以下步骤：
步骤S1、进行N次空爆试验，空爆试验采用TNT集团装药，去除防护结构，在坑道顶壁口部外边缘几何中心起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP0，通过N组不同药量的试验得到一系列试验数据；
步骤S2、进行M次结构中爆炸试验，M＞N，将防护结构覆盖在坑道入口上方，采用TNT集团装药，在防护结构的内部起爆，测定主坑道侧壁不同位置的冲击波超压峰值ΔP1，通过M组不同爆炸点不同药量的试验得到一系列试验数据；
步骤S3、设定超压折减系数为η，在相同装药量条件下，对于空爆试验和结构中爆炸试验在同一位置测定的ΔP0、ΔP1，则有
Figure FDA0002022743140000011
其中，超压折减系数η与试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc有关，由量纲分析得：
Figure FDA0002022743140000012
步骤S4、根据N次空爆试验和M次结构中爆炸试验的系列试验数据，将试验药量Q、爆心高度H、坑道等效直径D、测点与爆心水平间距L、试件配筋率ρ、试件基体抗压强度σc的具体数值代入公式(1)中，拟合得到超压折减系数的具体表达式为：
Figure FDA0002022743140000021
其中，e为自然对数的底数。
2.根据权利要求1所述的一种坑道口部结构中爆炸坑道内部冲击波超压折减系数的计算方法，其特征是：所述公式(2)中，
Figure FDA0002022743140000022
Figure FDA0002022743140000023
20MPa≤σc≤80MPa，
Figure FDA0002022743140000024
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