CN114086683B - 一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，包括钢板保护层、内部消能层、约束连接层和连接件；钢板保护层包括前钢板层、后钢板层、左钢板层和右钢板层，前钢板层与左钢板层、右钢板层焊接连接，后钢板层与左钢板层、右钢板层通过所述连接件沿厚度方向连接；内部消能层通过约束连接层设置在钢板保护层内，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向至少设置五层充气塑料瓶消能层，塑料瓶瓶颈空隙之间填充泡沫；约束连接层为钢丝网层，钢丝网层通过结构胶与钢板层连接；本结构通过消能层的设计，解决了抗爆防护结构重量大、无法满足绿色环保要求等问题，具有材料轻质、超强、绿色环保、结构简单、便于安装，可大面积推广运用的特点。

Description

一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构

技术领域

本发明涉及抗爆防护技术领域，具体涉及一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构。

背景技术

近十年，由于国际经济和军事力量等大幅提高，爆炸荷载的威力也进一步增强，往往会对结构造成无法修复的损伤，导致巨大的生命和财产损失；因此，开展抗爆防护结构的研究具有重要的研究意义；

近年来，塑料瓶在生活中的使用越来越普遍，如何将废弃塑料瓶的二次利用达到最大化仍是一个待商榷的问题；为此，绿色环保型抗爆防护结构的开发成为了当今新型防护结构的重要研究方向，更重要的是，充气塑料瓶制品具有延展性好、质量轻、强度高、耐久性好等特点，能有效减小结构的峰值应力，在抗爆防护领域具有较高的应用前景，可较好地实现冲击波转向消能的效果。值得注意的是，传统的抗爆防护结构大多采用增加混凝土结构厚度等方式增加结构整体的刚度来提高抗爆防护性能，存在体积大、吊装不便及施工成本大等缺点，此外，混凝土结构在爆炸冲击波作用下产生的高速碎片飞溅，会对运维人员造成二次伤害；从工程安全角度来看，这种抗爆防护效果并不理想，难以大范围推广；为此，开发出一种结构简便、成本低、消能效果好且绿色环保的抗爆防护结构显得尤为重要；

申请号为“202011530525.8”的发明专利，提供了一种复合型抗爆防护结构，包括负泊松比结构层，蜂窝型负泊松比结构层由内凹型胞体单元组成，胞体内布置填充物，具有成本低、轻质高强等特点；该复合型抗爆防护结构还包括了仿生凸起层和缓冲层，仿生凸起层包括背衬和若干半球型凸起，半球型凸起为空心结构，能减轻结构重量和增加抗冲击性；缓冲层设置于负泊松比结构层和仿生凸起层之间，能有效缓解爆炸冲击力。虽然上述各组成成分相互结合能有效抵御冲击波和减小高速碎片飞溅造成的二次伤害，但是还存在一些不足：蜂窝型负泊松比结构层无法采用常规模具锻造，此外，还以TC4钛合金粉末为原材料，3D打印技术加工成型。尽管3D打印技术常用于新材料研发，但其制造成本高，成型原理不完善，成型精度、物理性能及化学性能尚不能满足工程的实际要求，分层制造的工艺往往在层间出现孔隙等缺点，这些局限性不利于批量生产，不易大面积推广运用；

申请号为“202010828223.2”的发明专利，公开了一种抗爆抗冲击复合墙板，其中包括了浇筑成型的聚丙烯纤维混凝土墙体、粘结层、水泥基复合材料、纤维增强复合材料层、泡沫铝填充体、C型钢板、螺栓、泄压孔，但是此发明专利存在以下缺点：抗爆抗冲击复合墙板结构组成复杂，包括聚丙烯纤维混凝土墙体、粘结层、纤维增强复合材料层、泡沫铝填充体、C型钢板、螺栓、泄压孔等，涉及纤维混凝土、水泥基复合材料、泡沫铝填充体、钢板等多种复合材料，加工工序多，操作流程多，且抗爆抗冲击复合墙板对部分材料的配合比、尺寸和浇筑时间等有严格要求，如普通硅酸盐水泥:水:石英砂:粉煤灰:羟丙基甲基纤维素:聚羧酸高效减水剂:铝酸钙水泥＝0.92:0.42:0.85:0.40:0.001:0.008:0.08，聚乙烯醇纤维体积参数为1.8％，纤维增强复合材料层双向网格尺寸为50mm×50mm，普通硅酸盐水泥含量为50％、12.5％，铝酸钙水泥含量为50％、12.5％，聚羧酸高效减水剂含量为25％；上述发明专利虽然在一定程度上有效提高抗爆性能，也避免了碎片产生的二次伤害，但抗爆抗冲击复合墙板采用实体浇筑，增加结构整体的重量，安装难度加大；

申请号为“202010823048.8”的发明专利，公开了一种蜂窝状夹芯防爆墙板，该防爆墙板由第一钢板层、蜂窝状复合层、第二钢板层和第一连接部件组成，在第一钢板层与第二钢板层之间布置了蜂窝状复合层，蜂窝状复合结构由压型钢板错峰布置形成；事实上，相对实体浇筑形成的防爆墙，本发明的蜂窝状夹芯防爆墙板在一定程度上变得更加轻便，但仍存在一些缺点：压型钢板价格昂贵，增加了经济成本；连接部件、定位角钢需采用大量螺栓连接，施工工艺复杂，施工效率得不到保证；

上述抗爆防护结构从改变材料性能等方面来实现提高结构抗爆性能的目的，尚未从绿色环保角度对废弃物二次回收利用来开发抗爆防护结构，因此，为了强化绿色发展理念，推动节能环保型社会的建设和降低爆炸荷载作用造成的损失，迫切需要发明一种构造简单且绿色环保的抗爆防护结构，既能实现废弃塑料的二次回收利用，也有效提高结构的抗爆防护性能。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，本结构通过消能层的设计，解决了抗爆防护结构重量大、不易大面积推广、无法满足绿色环保要求等问题，具有材料轻质、超强、绿色环保、结构简单、便于安装，可大面积推广运用的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，包括钢板保护层、内部消能层、约束连接层和连接件；

所述的钢板保护层包括前钢板层、后钢板层、左钢板层和右钢板层，所述前钢板层与左钢板层、右钢板层焊接连接，所述后钢板层与左钢板层、右钢板层通过所述连接件沿厚度方向连接，形成外部框架结构；

所述的前钢板层、后钢板层上设有连接钢片；所述连接钢片上设有连接螺栓；

所述的内部消能层通过约束连接层设置在钢板保护层内，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向至少设置五层充气塑料瓶消能层，且各层充气塑料瓶消能层的上、下层相邻充层之间相互错峰布置；

所述约束连接层为钢丝网层，所述钢丝网层通过结构胶与钢板层连接；

所述前钢板层、后钢板层上设有连接钢片，所述连接钢片上设有连接螺栓。

优选的，所述的充气塑料瓶消能层由若干充气塑料瓶在充气后经高强度塑料胶粘结组成，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向依次包括第一层充气塑料瓶消能层、第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层和第五层充气塑料瓶消能层，其中第一层充气塑料瓶消能层位于前钢板层的后面，第五层充气塑料瓶消能层位于后钢板层的前面，第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层位于第一层充气塑料瓶消能层与第五层充气塑料瓶消能层之间，且上五层充气塑料瓶消能层的上、下层相邻充气塑料瓶之间错峰布置。

优选的，所述的消能层相邻塑料瓶瓶颈之间填充泡沫，减小防护结构整体间的孔隙率。

优选的，所述的充气塑料瓶的瓶长度为10～20cm，宽度或者直径为5～10cm。

优选的，所述的钢丝网层的钢丝网网格尺寸为5～10cm×5cm，与充气塑料瓶的尺寸相适应。

优选的，所述的钢丝网层的钢丝网型号为8#、10#或12#，对应的直径分别为4mm、3.25mm、2.60mm。

优选的，所述的钢板层厚度为0.5～1cm，宽度为10～30cm。

优选的，所述的钢板层由高强钢制成，在其端部和中间位置均预留螺栓孔与连接件配合使用。

优选的，所述的结构胶为BD811高强度结构胶。

优选的，所述的高强度塑料胶为H-1505的ABS塑料胶粘剂。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

(1)本发明设计了一种基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构，本结构通过布置于钢丝网中的充气塑料瓶消能层来吸收部分爆炸能量或将部分垂直冲击波转向成水平冲击波，钢丝网束缚充气废弃塑料瓶的变形破坏，充气废弃塑料瓶约束了钢丝网屈服变形，且废弃塑料瓶之间相互挤压作用，两者协同作用可以极大地提高了新型抗爆防护结构承受的应力，使得作用在防护建筑结构上的能量和冲击压力相比无防护结构情况下显著降低；总之，本发明无论从冲击波转向还是吸收能量等方面都可以对防护建筑物发挥较好的防护效果，适用于各种建筑结构的抗爆防护；

(2)本防护结构对建筑结构进行防护工作时若发生冲击损伤，可卸下左钢板层、右钢板层和后钢板层上的螺栓，方便更换废弃塑料瓶消能层，相对降低了修复防护结构所需的时间和经济成本，且此防护结构所用材料轻质、超强、绿色环保、结构简单、便于安装，可大面积推广运用；

(3)本发明还可通过充气废弃塑料瓶的层数、钢板层的厚度或刚度、钢丝网的型号等方面来实现整体防护结构应承受的能量，针对不同防护需求优化选取不同的构建组合形式，保证资源利用达到最大化；

(4)本发明的前钢板层、后钢板层、左钢板层、右钢板层均采用高强钢，强度可满足抗爆要求，高强钢组成的防护结构能有效避免冲击作用引起防护材料损坏引起高速碎片飞溅，此外钢板形状规则，无需特殊工艺和设备要求，便于加工定制和批量生产。

附图说明

图1为本发明基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构截面示意图。

图2为本发明基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构俯视图。

图3为本发明基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构的消能层局部示意图。

图4为本发明基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构现场组装放置示意图。

其中：11.前钢板层，12.后钢板层，13.左钢板层，14.右钢板层，21.第一螺栓， 22.第二螺栓，23.第三螺栓，24.第四螺栓，3.充气塑料瓶消能层，4.钢丝网，5. 充气塑料瓶，6.连接钢片，7.连接螺栓。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-3所示的一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，包括钢板保护层、内部消能层、约束连接层和连接件；

所述的钢板保护层包括前钢板层11、后钢板层12、左钢板层13和右钢板层 14，所述前钢板层11与左钢板层13、右钢板层14采用焊接连接，所述后钢板层 12与左钢板层13、右钢板14层通过所述连接件沿厚度方向连接，形成外部框架结构，起一级缓冲作用，对内部消能层进行保护；

所述的内部消能层通过约束连接层设置在钢板保护层内，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向至少设置五层充气塑料瓶消能层3，且各层充气塑料瓶消能层3的上、下层相邻充层之间相互错峰布置；

所述的消能层相邻塑料瓶瓶颈之间填充泡沫，减小防护结构整体间的孔隙率。

所述的约束连接层为钢丝网层4，所述钢丝网层4通过结构胶与钢板层连接；

所述前钢板层11、后钢板层12上设有连接钢片6，所述连接钢片6上设有连接螺栓7。

优选的，为保证内部消能层的消能缓冲作用，所述的充气塑料瓶消能层3由若干经回收的充气塑料瓶5在充气后经高强度塑料胶粘结组成，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向依次包括第一层充气塑料瓶消能层、第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层和第五层充气塑料瓶消能层，其中第一层充气塑料瓶消能层位于前钢板层11的后面，第五层充气塑料瓶消能层位于后钢板层12的前面，第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层位于第一层充气塑料瓶消能层与第五层充气塑料瓶消能层之间，且上五层充气塑料瓶消能层3的上、下层相邻充气塑料瓶 5之间错峰布置。

优选的，所述的前钢板层11与左钢板层13、右钢板层14通过焊接方式连接起来，所述后钢板层12、左钢板层13、右钢板14层通过所述螺栓沿厚度方向固定构成整体；充气塑料瓶消能层与钢丝网、钢丝网与前、后钢板层之间通过高强度结构胶BD811粘结，BD811结构胶具有结合面应力分布均匀，对零件无热影响和变形，固化后无收缩，具有粘接强度高、韧性好、优异的耐腐蚀性、耐老化、耐高温等性能的优点，有效避免充气塑料瓶消能层3在平面方向上移动，充气塑料瓶消能层3之间通过ABS塑料胶粘剂H-1505，ABS塑料胶粘剂具有操作方便、粘接强度高、快速定位、无毒等优点，能确保废弃塑料瓶较牢固地粘结在一起。

优选的，所述的后钢板层12、左钢板层13、右钢板层14两端和中间位置设有螺纹孔，螺纹孔贯穿后钢板层12、左钢板层13、右钢板层14的厚度方向，螺纹孔使螺栓穿过后钢板层12、左钢板层13、右钢板层14组合成外部框架结构。

优选的，所述的前钢板层11、后钢板层12上设有连接钢片6，所述连接钢片上设有连接螺栓7，将该防护结构拼装成防护墙，置于被防护建筑物结构周围。

优选的，所述的螺栓与钢板层间设置了螺栓垫圈，能有效减小整个防护结构在承受爆炸荷载过程中出现应力集中的现象。

优选的，所述的充气塑料瓶消能层3若发生冲击损伤，可卸下左钢板层、右钢板层和后钢板层上的螺栓，方便更换废弃塑料瓶消能层，相对降低了修复防护结构所需的时间和经济成本。

优选的，通过调整所述充气塑料瓶5的层数、钢板层的厚度或刚度、钢丝网的型号等方面来匹配整体防护结构应承受的能量，针对不同防护需求优化选取不同的构件组合形式，保证资源利用达到最大化。

优选的，所述的充气塑料瓶5的瓶长度为10～20cm，宽度或者直径为5～ 10cm，通过相适应孔径的钢丝网将塑料瓶固定形成消能层。

优选的，所述钢丝网层4的钢丝网网格尺寸为5～10cm×5cm，与充气塑料瓶5的尺寸相适应。

优选的，所述的钢丝网层4的钢丝网型号为8#、10#或12#(根据结构的防护等级选取)，对应的直径分别为4mm、3.25mm、2.60mm。

优选的，所述的钢板层厚度为0.5～1cm，宽度为10～30cm。

优选的，所述的连接件包括第一螺栓21、第二螺栓22、第三螺栓23和第四螺栓24。

优选的，所述的结构胶为BD811高强度结构胶。

优选的，所述的高强度塑料胶为H-1505的ABS塑料胶粘剂。

上述抗爆防护结构的工作原理为：当防护结构周围发生爆炸极端荷载时，爆炸冲击波会快速到达基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构，首先作用于前钢板层上，前钢板层获得爆炸冲击能量后，钢丝网会发生塑性变形，并进一步压缩布置于钢丝网中的充气塑料瓶消能层，充气废弃塑料瓶与钢丝网两者相互作用，即钢丝网限制了充气废弃塑料瓶的挤压变形，充气废弃塑料瓶同时阻碍了钢丝网塑性变形；换言之，通过压缩钢丝网和充气废弃塑料瓶优越的变形能力及强度质量比来压缩空气，吸收爆炸冲击波能量。当塑料瓶内压超过一定限值，塑料瓶盖弹出或侧向挤压破坏，将瓶内空气内能转化为瓶盖或侧向挤压破坏的动能，进而实现转向消能的作用或将部分垂直冲击波转向成水平冲击波，从而降低传递给被保护结构的爆炸能量和冲击荷载峰值，以达到减轻被保护建筑结构发生破坏的目的。此外，防护结构在防护过程中无可避免地发生不同程度的损伤破坏，本发明的新型抗爆防护结构具有直接更换破坏部分的功能，相对降低了修复防护结构所需的时间和经济成本。

上述实施例的基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构绿色环保、设计简单、抗爆防护效果好，在塑料回收厂能大批量回收充气塑料瓶消能层，回收后只需检查废弃塑料瓶性密闭性是否完好，再完成充气工作后错峰粘结成消能层，整个过程无需复杂工艺和特殊设备，操作简单；当结构受到爆炸冲击荷载后，消能层利用钢丝网产生的塑性变形和充气塑料瓶挤压变形或者破坏来达到冲击波转向和耗能的目的；经数值计算此结构能有效抵御爆炸冲击荷载的作用，确保了此防爆结构在普通建筑物防爆工程中的安全性；更重要的是，当充气塑料瓶消能层承受爆炸荷载破坏后，可直接卸下左钢板层、右钢板层和后钢板层上的螺栓，将破坏的废弃塑料瓶取出并进行更换，更换成本小和施工效率高；另外，还能根据防护建筑结构的防爆等级对抗爆防护结构进行优化，如改变充气废弃塑料瓶的层数和瓶身尺寸，前钢板层、后钢板层、左钢板层、右钢板层的厚度，钢丝网的型号；总之，本发明的基于冲击波转向消能的新型抗爆防护结构制作简单、环保且经济，适用于大规模推广至任意建筑物的防爆领域。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，其特征在于：包括钢板保护层、内部消能层、约束连接层和连接件；

所述钢板保护层包括前钢板层(11)、后钢板层(12)、左钢板层(13)和右钢板层(14)，所述前钢板层(11)与左钢板层(13)、右钢板层(14)焊接连接，所述后钢板层(12)与左钢板层(13)、右钢板层(14) 通过所述连接件沿厚度方向连接，形成外部框架结构；

所述内部消能层通过约束连接层设置在钢板保护层内，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向至少设置五层充气塑料瓶消能层(3)，且各层充气塑料瓶消能层(3)的上、下层相邻充层之间相互错峰布置；

所述约束连接层为钢丝网层(4)，所述钢丝网层(4)通过结构胶与钢板层连接；

所述前钢板层(11)、后钢板层(12)上设有连接钢片(6)，所述连接钢片(6)上设有连接螺栓(7)；

所述的充气塑料瓶消能层(3)由若干充气塑料瓶(5)在充气后经高强度塑料胶粘结组成，且内部消能层沿抗爆防护结构厚度方向依次包括第一层充气塑料瓶消能层、第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层和第五层充气塑料瓶消能层，其中第一层充气塑料瓶消能层位于前钢板层(11)的后面，第五层充气塑料瓶消能层位于后钢板层(12)的前面，第二层充气塑料瓶消能层、第三层充气塑料瓶消能层、第四层充气塑料瓶消能层位于第一层充气塑料瓶消能层与第五层充气塑料瓶消能层之间，且上五层充气塑料瓶消能层(3)的上、下层相邻充气塑料瓶(5)之间错峰布置；

所述的充气塑料瓶(5)的瓶长度为10～20cm，宽度或直径为5～10cm；

所述钢丝网层(4)的钢丝网网格尺寸为5～10cm×5cm，与充气塑料瓶(5)的尺寸相适应；

所述的钢丝网层(4)的钢丝网型号为8#、10#或12#，对应的直径分别为4mm、3.25mm、2.60mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，其特征在于：所述的前钢板层(11)和后钢板层(12)的厚度均为0.5～1cm，宽度为10～30cm。

3.根据权利要求2所述的一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，其特征在于：所述的前钢板层(11)和后钢板层(12)均由高强钢制成，在前钢板层(11)和后钢板层(12)的端部和中间位置均预留螺栓孔与连接件配合使用。

4.根据权利要求1所述的一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，其特征在于：所述的结构胶为BD811高强度结构胶。

5.根据权利要求1所述的一种基于冲击波转向消能原理的抗爆防护结构，其特征在于：所述的高强度塑料胶为H-1505的ABS塑料胶粘剂。

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