CN111429025A - 一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土防护结构领域，具体的来说涉及一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其能够对钢筋混凝土构造在进行防护时进行准确的弹性涂层材料的厚度计算，使得弹性涂层材料在混凝土工程的防护运用中趋于科学合理，使弹性涂层材料的喷涂厚度与钢筋混凝土构造所受到的爆炸当量相匹配，从而使人们在应对不同防护需求的混凝土构造时能够准确的对其进行相应厚度的弹性涂层材料的喷涂，极大的节约了工程成本，满足了使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土结构防护领域，具体的来说涉及一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法。
背景技术
日常生产、工作和生活中，偶然爆炸或者意外撞击严重危害着人民生命财产的安全，在军事工程或者民用工程中，钢筋混凝土结构是较为常用的工程结构，在遇到偶然爆炸或意外撞击时，由于混凝土的脆性特性决定了会产生大量混凝土碎片及震塌破坏现象，震塌破坏是指结构体受到爆炸或冲击荷载作用时，在结构背面形成反射拉伸波，并造成结构背面介质的破碎和层裂，震塌破坏现象最早是由霍普金森于1914 年进行爆炸效应研究时观察到的，随后，莱茵哈特在金属板接触爆炸的实验中，曾多次观察到层裂现象，他将爆炸荷载简化为三角形荷载，并用第一强度理论计算出了层裂厚度和剥离速度，20 世纪60 年代后期，美国弹道研究实验室( Ballistic Research Laboratory)提出了BRL 公式，可以直接计算贯穿厚度，通过实验研究得到震塌厚度与贯穿厚度间的关系，20 世纪70 年代，格伦、B．C．尼基福罗夫斯基和Е.И．舍马金亦分别采用第一强度理论和三角形荷载的假设，得到爆炸震塌的相关研究成果。研究表明，偶然爆炸或者意外撞击发生时，对人员和设备的损伤元主要是冲击波和碎片，为了避免该类毁伤元对人员、设备等造成损伤，对于某种特种工程而言，需要采用相应的防护技术措施。在现有实践中，弹性涂层由于具备高强度、高韧性、高延展率，施工方便、快速等优点，近年来被广泛运用于抗偶然爆炸或者撞击的结构加固增强实施中，根据试验研究表明，偶然爆炸和意外撞击时，弹性涂层不仅能够约束混凝土碎片，还可以使混凝土不易破损，可有效防止冲击波泄入，但由于缺少相应的设计计算方式，使得弹性涂层材料在该类工程的防护运用中存在不科学、不合理及喷涂厚度和爆炸当量不匹配的使用问题，已然对弹性涂层材料的合理化使用产生了极大的影响。
发明内容
针对现有由于缺少相应的设计计算方式，使得弹性涂层材料在混凝土防护运用中存在不科学、不合理及喷涂厚度和爆炸当量不匹配的使用问题，本发明提供一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其技术方案如下，一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，包括如下步骤：
步骤一：确定爆炸、撞击危险源的种类和工况；
步骤二：根据步骤一中的爆炸、撞击危险源的种类和工况数据等效TNT当量计算；
步骤三：量测爆炸、撞击危险源质心离钢筋混凝土板距离；
步骤四：量测已建、拟建钢筋混凝土板厚度，不考虑混凝土强度及板的配筋率；
步骤五：计算震塌系数Kz；
步骤六：根据步骤五中计算的震塌系数Kz值确定弹性涂层厚度；
步骤七：对弹性涂层材料进行筛选，筛选对象主要为聚脲类材料、高弹性聚氨酯类材料、高弹性环氧树脂类材料，施工方法为高温喷涂法；
步骤八：对弹性涂层材料物理力学指标检测；
步骤九：根据步骤八中的检测结果，确定弹性涂层材料；根据步骤五中所确定的弹性涂层的厚度，即可开展钢筋混凝土的施工加固工作。
进一步的，在上述步骤二中可根据步骤一中的数据，查阅国家相关标准、规范进行等效TNT当量计算，给出等效TNT当量值，单位为千克（kg）；
进一步的，在上述步骤三中可根据步骤一的工况，通过几何尺寸和介质密度计算爆炸、撞击危险源质心位置，确定爆炸、撞击危险源的质心距离钢筋混凝土板的距离，单位为米（m）；
进一步的，在上述步骤五中计算震塌系数Kz的方程式式中H为步骤三中的计算结果，即爆炸危险源质心离钢筋混凝土板的距离，单位米（m），C为步骤二中计算出的等效TNT当量值，单位为千克（kg）；
进一步的，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据震塌系数Kz与弹性涂层厚度对应表进行选取；
进一步的，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据震塌系数Kz与弹性涂层厚度曲线图进行选取；进一步的，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据弹性涂层厚度方程式进行计算得出，式中：X为弹性涂层厚度，单位mm，涂层厚度范围4mm≤X≤20mm；
进一步的，在上述步骤八中对拟选定的弹性涂层材料进行物理力学指标检测，检测方法为根据国家相关标准、规范要求的取样标准进行取样，送往具备检测资质的试验中心、检测站、检验中心等单位进行检测；
进一步的，所述步骤七及步骤八中选取的弹性涂层材料需满足弹性涂层材料物理力学指标的规定。
本发明的有益效果为：本发明所提供的弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法能够对钢筋混凝土构造在进行防护时进行准确的弹性涂层材料的厚度计算，使得弹性涂层材料在混凝土工程的防护运用中趋于科学合理，使弹性涂层材料的喷涂厚度与钢筋混凝土构造所受到的爆炸当量相匹配，从而使人们在应对不同防护需求的混凝土构造时能够准确的对其进行相应厚度的弹性涂层材料的喷涂，极大的节约了工程成本，满足了使用需求。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明中震塌系数Kz与弹性涂层厚度对应表；
图3是本发明中震塌系数Kz与弹性涂层厚度曲线图；
图4是弹性涂层材料物理力学指标图；
图5是实施例中验证本发明的效果时三种试验模型安装布置图；
图6是实施例中震塌系数0.342时混凝土裸板震塌状态图；
图7是实施例中震塌系数0.149时混凝土板背面喷涂10mm厚弹性涂层的状态图；
图8是实施例中震塌系数0.169时钢筋混凝土板背面衬钢板出现破损的状态图；
图9是震塌系数Kz的计算方程式；
图10是弹性涂层厚度计算方程式。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是：本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方法可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，如果没有特别的说明，所涉及的各组分或其优选组分可以相互组合形成新的技术方案。本发明中，除非有其他说明，数值范围“a～b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“1.5～2.5”表示本文中已经全部列出了“1.5～2.5”之间的全部实数，“1.5～2.5”只是这些数值组合的缩略表示。本发明所公开的“范围”以下限和上限的形式，可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。本发明中，除非另有说明，各个反应或操作步骤可以顺序进行，也可以按照顺序进行。优选地，本文中的反应方法是顺序进行的。除非另有说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法或材料也可应用于本发明中。
具体实施例1：下面结合说明书附图1-10对本发明做进一步的说明，本发明的目的是针对现有由于缺少相应的设计计算方式，使得弹性涂层材料在混凝土防护运用中存在不科学、不合理及喷涂厚度和爆炸当量不匹配的使用问题，本发明提供一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，包括如下步骤：
步骤一：确定爆炸、撞击危险源的种类和工况，如撞击物体质量、速度；气罐内气体立方数，气体种类；面粉车间大小、颗粒浓度以及其他易燃易爆物品种类、数量、质量、体积，存储工况；
步骤二：根据步骤一中的爆炸、撞击危险源的种类和工况数据查阅国家相关标准、规范进行等效TNT当量计算，给出等效TNT当量值，单位为千克（kg）；
步骤三：可根据步骤一中的工况，通过几何尺寸和介质密度等计算爆炸、撞击危险源质心位置，确定爆炸、撞击危险源的质心距离钢筋混凝土板的距离，单位为米（m）；
步骤四：量测已建、拟建钢筋混凝土板厚度，不考虑混凝土强度及板的配筋率；
步骤五： 震塌系数可根据如说明书附图9中计算震塌系数Kz的计算方程式进行计算，式中H为第三步中的计算结果，即爆炸危险源质心离钢筋混凝土板的距离，单位米（m）；C为第二步中计算的等效TNT当量值，单位为千克（kg）；
步骤六：根据步骤五中计算的震塌系数Kz值确定弹性涂层厚度，可根据步骤五中计算的震塌系数Kz值，按说明书附图2所示的震塌系数Kz与弹性涂层厚度对应表进行选取，也可按照可根据说明书附图10中弹性涂层厚度计算方程式进行计算得出，式中：X为弹性涂层厚度，单位mm，涂层厚度范围4mm≤X≤20mm，也可按说明书附图3所示的震塌系数Kz与弹性涂层厚度曲线图进行选取；
步骤七：对弹性涂层材料进行筛选，筛选对象主要为聚脲类材料、高弹性聚氨酯类材料、高弹性环氧树脂类材料等，施工方法为高温喷涂法，目前市场上弹性涂层材料较多，但大多只能用于防水、防火、防腐等，具备抗爆防混凝土碎片的弹性涂层材料的物理力学指标要满足说明书附图4中所示弹性涂层材料物理力学指标图中的要求；
步骤八：对弹性涂层材料物理力学指标检测，具体性能需要满足说明书附图4中所示弹性涂层材料物理力学指标图中的要求；
步骤九：根据步骤八中的检测结果，确定弹性涂层材料；根据步骤五中所确定的弹性涂层的厚度，即可开展钢筋混凝土的施工加固工作。
本发明在具体实施时，首先，针对弹性涂层防钢筋混凝土板爆炸震塌碎片缺少设计计算方法的状况，开展了几十炮次的爆炸试验，研究了不同厚度涂层的抗震塌、防碎片的能力以及不同种类弹性涂层的抗震塌、防碎片的性能，开展了弹性涂层和钢板的防爆炸震塌、防碎片的对比试验，通过反复对比试验发现物理力学指标满足说明书附图4中的弹性涂层材料物理力学指标图的弹性涂层材料才具备较优的抗震塌、防碎片性能，基于上述的弹性涂层材料，为了验证本发明的效果，设计了基体板相同的三种试验模型，第一种为钢筋混凝土裸板，也是基体板；第二种为弹性涂层钢筋混凝土板，在基体板背爆面喷涂厚度分别为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm 、14mm、16mm、18mm、20mm的弹性涂层；第三种为内衬钢板模型，在基体板背爆面衬3mm厚Q235b钢板，通过不同当量TNT炸药以接触爆的形式实施爆炸，对比三种模型的抗震塌、防碎片的能力，得出部分试验图片如说明书附图5-8所示。通过系列爆炸试验，发现涂层厚度同震塌系数Kz具有一定相关性，震塌系数Kz的表达式为如说明书附图9所示的方程式，式中H为装药中心距离钢筋混凝土板上表面的距离（m），C为TNT当量（kg）。由震塌系数表达式（计算式）可知，当混凝土板厚一定时，震塌系数越小，表明药量越大，通过对说明书附图6-8所示，当震塌系数0.342时混凝土裸板背部发生了震塌状态，当震塌系数0.149时混凝土板背面喷涂10mm厚弹性涂层的混凝土板背面完好无损，当震塌系数0.169时钢筋混凝土板背面衬钢板出现破损，有上述对比可知，在装药中心距离钢筋混凝土板上表面的距离H不变的情况下，采用最大当量的C（TNT）的混凝土板背面喷涂10mm厚弹性涂层的混凝土板背面完好无损，同时，试验结果表明，当不同厚度涂层满足说明书附图2中震塌系数Kz与弹性涂层厚度对应表中显示的震塌系数值时，可确保钢筋混凝土板不出现震塌、不出现碎片、涂层不破损。根据试验结果拟合出了设计计算公式，说明书附图10所示的方程式。不同厚度涂层同震塌系数的关系曲线如说明书附图3所示，本发明所提供的弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法仅限于弹性涂层厚度为4mm~20mm的范围，超过该范围将不适用。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：确定爆炸、撞击危险源的种类和工况；
步骤二：根据步骤一中的爆炸、撞击危险源的种类和工况数据等效TNT当量计算；
步骤三：量测爆炸、撞击危险源质心离钢筋混凝土板距离；
步骤四：量测已建、拟建钢筋混凝土板厚度，不考虑混凝土强度及板的配筋率；
步骤五：计算震塌系数Kz；
步骤六：根据步骤五中计算的震塌系数Kz值确定弹性涂层厚度；
步骤七：对弹性涂层材料进行筛选，筛选对象主要为聚脲类材料、高弹性聚氨酯类材料、高弹性环氧树脂类材料，施工方法为高温喷涂法；
步骤八：对弹性涂层材料物理力学指标检测；
步骤九：根据步骤八中的检测结果，确定弹性涂层材料；根据步骤五中所确定的弹性涂层的厚度，即可开展钢筋混凝土的施工加固工作。
2.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤二中可根据步骤一中的数据，查阅国家相关标准、规范进行等效TNT当量计算，给出等效TNT当量值，单位为千克（kg）。
3.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤三中可根据步骤一的工况，通过几何尺寸和介质密度计算爆炸、撞击危险源质心位置，确定爆炸、撞击危险源的质心距离钢筋混凝土板的距离，单位为米（m）。
4.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤五中计算震塌系数Kz的方程式式中H为步骤三中的计算结果，即爆炸危险源质心离钢筋混凝土板的距离，单位米（m），C为步骤二中计算出的等效TNT当量值，单位为千克（kg）。
5.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据震塌系数Kz与弹性涂层厚度对应表进行选取。
6.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据震塌系数Kz与弹性涂层厚度曲线图进行选取。
7.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤六中弹性涂层厚度可根据弹性涂层厚度方程式进行计算得出，式中：X为弹性涂层厚度，单位mm，涂层厚度范围4mm≤X≤20mm。
8.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，在上述步骤八中对拟选定的弹性涂层材料进行物理力学指标检测，检测方法为根据国家相关标准、规范要求的取样标准进行取样，送往具备检测资质的试验中心、检测站、检验中心等单位进行检测。
9.根据权利要求1所示的一种弹性涂层防钢筋混凝土板震塌碎片设计计算方法，其特征在于，所述步骤七及步骤八中选取的弹性涂层材料需满足弹性涂层材料物理力学指标的规定。
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| CN111429025B (zh) | 2022-09-30 |
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